Dissertations / Theses on the topic 'Optimization of lens'

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Sloan School of Management, Operations Research Center, 2015.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 131-139).
In the last twenty-five years (1990-2014), algorithmic advances in integer optimization combined with hardware improvements have resulted in an astonishing 200 billion factor speedup in solving mixed integer optimization (MIO) problems. The common mindset of MIO as theoretically elegant but practically irrelevant is no longer justified. In this thesis, we propose a methodology for regression modeling that is based on optimization techniques and centered around MIO. In Part I we propose a method to select a subset of variables to include in a linear regression model using continuous and integer optimization. Despite the natural formulation of subset selection as an optimization problem with an lo-norm constraint, current methods for subset selection do not attempt to use integer optimization to select the best subset. We show that, although this problem is non-convex and NP-hard, it can be practically solved for large scale problems. We numerically demonstrate that our approach outperforms other sparse learning procedures. In Part II of the thesis, we build off of Part I to modify the objective function and include constraints that will produce linear regression models with other desirable properties, in addition to sparsity. We develop a unified framework based on MIO which aims to algorithmize the process of building a high-quality linear regression model. This is the only methodology we are aware of to construct models that imposes statistical properties simultaneously rather than sequentially. Finally, we turn our attention to logistic regression modeling. It is the goal of Part III of the thesis to efficiently solve the mixed integer convex optimization problem of logistic regression with cardinality constraints to provable optimality. We develop a tailored algorithm to solve this challenging problem and demonstrate its speed and performance. We then show how this method can be used within the framework of Part II, thereby also creating an algorithmic approach to fitting high-quality logistic regression models. In each part of the thesis, we illustrate the effectiveness of our proposed approach on both real and synthetic datasets.
by Angela King.
Ph. D.

Strong gravitational lensing produces multiple distorted images of a background source when it is closely aligned with a mass distribution along the line of sight. The lensed images provide constraints on the parameters of a model of the lens, and the images themselves can be inverted providing a model of the source. Both of these aspects of lensing are extremely valuable, as lensing depends on the total matter distribution, both luminous and dark. Furthermore, lensed sources are commonly located at cosmological distances and are magnified by the lensing effect. This provides a chance to image sources that would be unobservable when viewed with conventional optics. The semilinear method expresses the source modeling step as a least-squares problem for a given set of lens model parameters. The blurring effect due to the point spread function of the instrument used to observe the lensed images is also taken into account. In general, regularization is needed to solve the source deconvolution problem. We use Krylov subspace methods to solve for the pixelated sources. These optimization techniques, such as the Conjugate Gradient method, provide natural regularizing effects from simple truncated iteration. Using these routines, we are able to avoid the explicit construction of the lens and blurring matrices and solve the least squares source optimization problem iteratively. We explore several regularization parameter selection methods commonly used in standard image deconvolution problems, which lead to previously derived expressions for the number of source degrees of freedom. The parameters that describe the lens density distribution are found by global optimization methods including genetic algorithms and particle swarm optimizers. In general, global optimizers are useful in non-linear optimization problems such as lens modeling due to their parameter space mapping capabilities. However, these optimization methods require many function evaluations and iterative approaches to the least squares problem are beneficial due to the speed advantage that they offer. We apply our modeling techniques to a subset of gravitational lens systems from the Sloan Lens ACS (SLACS) survey, and are able to reliably recover the parameters of the lens mass distribution with both analytical and regularized pixelated sources.

Microwave lenses support low-phase error, wideband, wide-angle scanning, and true-time delay (TTD) beam forming. They provide ideal performance for applications such as satellites, remote-piloted vehicles, collision-avoidance radars and ultra-wideband communications systems. The emerging printed lenses in recent years have facilitated the advancement of designing high performance but low-profile, light-weight, and small-size beam-forming networks (BFNs). The microwave lens adopts a few beam ports to illuminate the prescribed receiving ports that feed energy into radiating antennas. Multi-beam patterns can be achieved by exciting multiple beam ports at a time. The design process starts with path-length equations from a limited number of beam-port foci assumptions. This constraint does not take into account the amplitude information; however, it allows an initial lens geometry to be solved. The resulted scanning angle of microwave lens is limited by the beam port contour, as such ± 90 degrees. In this dissertation, three contributions are made from the aspects of minimized phase errors, accurate and efficient simulation algorithms, and 360-degree scanning range extension. First, a minimum-phase-error, non-focal lens design method is proposed. It does not require a specific number of foci along the beam contour; however, minimum phase errors for all beam ports are able to be achieved. The proposed method takes into account flexible prescribed geometrical design parameters, and adopts numerical optimization algorithms to perform phase error minimization. Numerical results compared with the published tri-focal and quadru-focal lenses demonstrate the merits of the proposed method. Second, an accurate and fast simulation method for the microwave lens has been developed to predict the phase, amplitude, array factor, and power efficiency performance. The proposed method is compared to both full-wave simulation and measurement. Comparable results have been achieved. Third, a novel method for a 360-degree scanning microwave lens is proposed. This concept uses the beam ports and the receive ports in an interleaving sequence such that adjacent ports alternate beam and receive functions. The result is a lens that produces scanned beams on opposite sides of the structure resulting in a 360-degree scanning range. The structure can use multiple opposing facets or continuous circular-port and radiating-element contours. To prove the concept, a four-facet microstrip lens has been designed, simulated, fabricated, and tested. The comparison between full-wave simulation and measurement has demonstrated good agreement.
Ph. D.

The coupling of a semi-conductor laser into a waveguide or a fiber has been studied extensively. It has been discussed that butt coupling, which is the simplest theoretical solution, usually presents challenging tolerancing problems. The addition of optical elements between the laser and waveguide is interesting since it provides beam magnification and can loosen some tolerances. However, this raises the cost of the coupling system; that is why it is important to thoroughly optimize a coupling lens system. Since the numerical aperture of the beam emitted by a laser diode is usually in the range 0.4-0.5, the control of the coupling system's aberrations becomes critical. Some authors have already included aberrations in their study of the coupling efficiency of specific configurations. Wagner and Tomlinson have published a rigorous and complete treatment of the problem. The subject of this dissertation is to present a practical, engineering method of treating the coupling problem while employing widely available conventional lens design software. It will be shown that the coupling efficiency of a system can be related to an apodized and normalized point spread function that can easily be calculated with lens design software. This means that lens design software can predict the coupling efficiency of any system, but most importantly, it can also be used to optimize and tolerance the system. Development, study and validation of the proposed technique will be presented as well as some examples and applications.

 

In this thesis a method to compensate camera distortion is developed for an FPGA platform as part of a complete vision system. Several methods and models is presented and described to give a good introduction to the complexity of the problems that is overcome with the developed method. The solution to the core problem is shown to have a good precision on a sub-pixel level.

 

Thesis: M.B.A., Massachusetts Institute of Technology, Sloan School of Management, 2019, In conjunction with the Leaders for Global Operations Program at MIT
Thesis: S.M., Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, 2019, In conjunction with the Leaders for Global Operations Program at MIT
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (page 55).
J&J Vision Care (JJVC) uses production scheduling methods that are not fully optimized, causing over-production of certain SKUs, and reducing capacity for other SKUs on backorder. This makes planning a weekly run-schedule for each line difficult. It is also difficult to understand where to invest capital to create an optimally flexible fleet of production lines. JJVC is currently capacity-constrained, so optimizing the production to increase output will directly translate to additional revenue. The three main areas that the leadership team wants to explore in this project are: 1. What is our current fleet flexibility? 2. How much capacity can be freed up if our fleet was more flexible? 3. Can we create a cost modeling tool that will provide more granularity in brand and sales channel profitability? First, the brands and SKUs on each line that are "validated" to run (by FDA, etc.) must be quantified.
Not all validated SKUs on a line are "runnable" though: Process issues often arise in the plant that prevent some of these validated SKUs from being produced (e.g. mechanical tolerances, chemistry, etc.). Therefore, the gap between validated and runnable SKUs will be an opportunity to explore. One constraint originally studied was the "runnable" vs "validated" prescriptions at the Jacksonville site; The percentage of runnable vs validated SKUs is only 73%, meaning that 27% of the prescriptions that J&J invested time and money to validate cannot be produced on certain lines due to manufacturing issues. The impact of this constraint and others can be quantified to identify improvement opportunities. Second, potential additional capacity can be calculated by running a sensitivity analysis with the planning tool (i.e. the optimization model) to analyze how outputs (e.g. throughput, changeover times, etc.) are affected by changing certain inputs: Mold, core, and pack change times, production rate, minimum lot sizes, service level, etc. It is also possible to change the objective function to place more weight on certain user-defined parameters.
The impact of these changes were observed by collecting the master planning data for a defined time-period and running optimization scenarios. Various time horizons were used to gain an accurate understanding of the impact. Third, to understand how the initiatives described above improve both revenue and costs, a clear understanding of the profitability of each lens must be considered before JJVC management makes high-level strategic decisions. To make this possible, a Total Delivered Cost (TDC) model was developed and published a for the Contact Lens supply chain.
by Andrew J. Freiheit.
M.B.A.
S.M.
M.B.A. Massachusetts Institute of Technology, Sloan School of Management
S.M. Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering

The demand for high optical resolution has brought researchers to explore the use of beam shaping diffractive optical elements (DOEs) for improving performance of high numerical aperture (NA) optical systems. DOEs can be designed to modulate the amplitude, phase and/or polarization of a laser beam such that it focuses into a targeted irradiance distribution, or point spread function (PSF). The focused PSF can be reshaped in both the transverse focal plane and along the optical axis. Optical lithography, microscopy and direct laser writing are but a few of the many applications in which a properly designed DOE can significantly improve optical performance of the system. Designing DOEs for use in high-NA applications is complicated by electric field depolarization that occurs with tight focusing. The linear polarization of off-axis rays is tilted upon refraction towards the focal point, generating additional transverse and longitudinal polarization components. These additional field components contribute significantly to the shape of the PSF under tight focusing and cannot be neglected as in scalar diffraction theory. The PSF can be modeled more rigorously using the electromagnetic diffraction integrals derived by Wolf, which account for the full vector character of the field. In this work, optimization algorithms based on vector diffraction theory were developed for designing DOEs that reshape the PSF of a 1.4-NA objective lens. The optimization techniques include simple exhaustive search, iterative optimization (Method of Generalized Projections), and evolutionary computation (Particle Swarm Optimization). DOE designs were obtained that can reshape either the transverse PSF or the irradiance distribution along the optical axis. In one example of transverse beam shaping, all polarization components were simultaneously reshaped so their vector addition generates a focused flat-top square irradiance pattern. Other designs were obtained that can be used to narrow the axial irradiance distribution, giving a focused beam that is superresolved relative to the diffraction limit. In addition to theory, experimental studies were undertaken that include (1) fabricating an axially superresolving DOE, (2) incorporating the DOE into the optical setup, (3) imaging the focused PSF, and (4) measuring aberrations in the objective lens to study how these affect performance of the DOE.
Ph.D.
Optics and Photonics
Optics and Photonics
Optics PhD

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Mathematics, 2017.
This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.
Cataloged from student-submitted PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 289-302).
In this thesis, we build connections between classic methods from convex optimization and the modern toolkit from the fast Laplacian solver literature, in order to make progress on a number of fundamental algorithmic problems: *-- We develop a faster algorithm for the unit capacity minimum cost flow problem, which encompasses the shortest path with negative weights and minimum cost bipartite perfect matching problems. In the case of sparse graphs, this provides the first running time improvement for these problems in over 25 years. *-- We initiate the study of solving linear systems involving directed Laplacian matrices, and devise an almost-linear time algorithm for this task. This primitive enables us to also obtain almost-linear time algorithms for computing an entire host of quantities associated with Markov chains, such as stationary distributions, personalized PageRank vectors, hitting times, or escape probabilities. This significantly improves over the previous state-of-the-art, which was based on simulating random walks, or applying fast matrix multiplication. *-- We develop faster algorithms for scaling and balancing nonnegative matrices, two fundamental problems in scientific computing, significantly improving over the previously known best running times. In particular, if the optimal scalings/balancings have polynomially bounded condition numbers, our algorithms run in nearly-linear time. Beyond that, we leverage and extend tools from convex geometry in order to design an algorithm for online pricing with nearly-optimal regret. We also use convex optimization to shed a new light on the approximate Caratheodory problem, for which we give a deterministic nearly-linear time algorithm, as well as matching lower bounds.
by Adrian Valentin Vladu.
Ph. D.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation et l'optimisation du spot de focalisation d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique pour des applications d'imagerie super-résolue et de nanofabrication.Dans la première partie, nous avons systématiquement étudié les distributions de polarisation et d'intensité du faisceau laser dans la région du point focal en fonction de différents paramètres du faisceau incident tels que la phase, la polarisation, l’amplitude ainsi que l'influence du milieu de propagation, tel que l’indice de réfraction. Nous avons mis en oeuvre différentes méthodes théoriques pour contrôler et manipuler les distributions de polarisation et d'intensité du spot de focalisation. Ces prédictions théoriques sont vérifiées expérimentalement via un système optique confocal en mesurant l’image de fluorescence d’une nanoparticule d’or pour différentes caractéristiques.Dans la seconde partie de ce travail, une nouvelle microscopie basée sur le mécanisme d'absorption ultra-faible à un photon a été démontré théoriquement et expérimentalement. Le calcul théorique basé sur l'approche vectorielle de Debye, qui prend en compte l'effet d'absorption du matériau, montre qu'il est possible de focaliser le faisceau lumineux en profondeur à l'intérieur d'un matériau si celui-ci présente une absorption linéaire ultra-faible à la longueur d'onde d'excitation. Cette méthode, dite (LOPA), a ensuite permis de fabriquer des structures 2D et 3D submicrométriques, similaires à celles obtenues par la méthode utilisant l’absorption à deux photons
Nowadays, far field optical microscopy is widely used in many fields, for fundamental research and applications. The low cost, simple operation, high flexibility are its main advantages. The key parameter of an optical microscope is the objective lens.This thesis's work focuses mainly on the characterization and optimization of the point spread function (PSF) of a high numerical aperture (NA) objective lens (OL) for applications of high resolution imaging and nano-fabrication.In the first part of the thesis, we have systematically investigated the dependency of polarization and intensity distributions of the focusing spot on numerous parameters, such as the phase, the polarization, and the beam mode of incident beam, as well as the refractive index mismatch. Then, we demonstrated theoretically different methods for manipulation of the polarization and intensity distributions of the focusing spot, which can have desired shapes and are useful for different applications. By using a home-made confocal microscope, we have experimentally verified some of the theoretical predictions, for example, vector properties of light beam under a tight focusing condition. In the second part of dissertation work, a new, simple and inexpensive method based on the one-photon absorption mechanism has been demonstrated theoretically and experimentally for 3D sub-micrometer imaging and fabrication applications. The theoretical calculation based on vectorial Debye approximation and taken into account the absorption effect of material shows that it is possible to focus the light tightly and deeply inside the material if the material presents a very low one-photon absorption (LOPA) at the excitation wavelength. We have then demonstrated experimentally that the LOPA microscopy allows to achieve 3D imaging and 3D fabrication with submicrometer resolution, similar to those obtained by two-photon absorption microscopy

In this study, optimization of a transformation and regeneration system via indirect organogenesis in cotyledonary petiole tissue of lentil (Lens culinaris Medik.) was investigated. Eight different medium types differing in their plant growth regulator compositions were employed to examine the callus induction potency of cotyledonary petiole. Except two, all other tested medium yielded more than 80% callus induction. Nine different medium types were studied to test the potencies of callus structures for shoot induction. Only the callus induced in medium H (1 mg/L Zeatin riboside + 1 mg/L Naphthalane acetic acid) yielded shoots at 8 to 40 % frequency. The most responsive medium was MS basal medium with no growth regulators. Also five and three different medium types were employed to examine callus induction potency of epicotyl tissues respectively. Each medium type yielded 90% callus induction. Only the callus induced in medium H yielded shoots At 6 to 26% frequency. Preliminary studies were carried out for somatic embryogenesis in cotyledonary petiole. Effects of salicylic acid on somatic embryogenesis were also investigated. Salicylic acid at 200µ
M was found to enhance the percentage of somatic embryos by 25 % and reduce the necrosis 24 %. However none of the globular and heart shape embryos were able to regenerate. Transient GUS expression efficiencies of roots, shoot tips, and cotyledonary petioles were tested after Agrobacterium-mediated transformation. Transformation frequencies were 26, 74, and 38 % for cotyledonary petiole, shoot tips, and roots respectively.

Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2014-09-25T20:32:22Z No. of bitstreams: 3 Dissertacao_JLFB_VFinal.pdf: 18601269 bytes, checksum: ec6c9955a2f1d95120cab2f797232e97 (MD5) Capa Dissertacao_JLFB_VFinal.pdf: 4769532 bytes, checksum: 3d15c52d57be870999449e2a7b78fbb3 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5)
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The purpose of this work is to present a methodology for optimizing the geometry of the Light Emitting Diode (LED) secondary lens, in non-imaging applications, which focuses on the distribution of illuminance on a target plane. The simulation of Ray Tracing is produced by stochastic method and the optimization process based on heuristic search interacts with Ray Tracing to nd the optimized parameters of the LED secondary lens geometry.
O propósito deste trabalho e apresentar uma metodologia para otimiza ção da geometria da lente secund ária de Light Emitting Diode (LED) para aplica ção em iluminação, tendo como enfoque a distribuição da iluminância sobre um plano alvo. A simulação do Ray Tracing e produzida através do m etodo estoc astico e o processo de otimização interage com o Ray Tracing através de um m étodo heur ístico na busca dos parâmetros otimizados da geometria da lente secundária do LED.

Ce travail de thèse présente une étude de l'oxygénation de la cornée en présence d'un dispositif oculaire (sensor). Ce dispositif vise à permettre la mesure en continu de la pression intraoculaire de façon à mieux anticiper l’apparition du glaucome. L’étude de l'oxygénation a été réalisée via des approches couplées de modélisation et d'expérimentations. L’outil expérimental développé dans ce travail, basé sur une méthode chrono-ampérométrique, a permis de mesurer la perméabilité à l’oxygène des matériaux de fabrication du sensor ainsi que la perméabilité globale du dispositif. Des mesures expérimentales de la variation de l’épaisseur cornéenne par OCT ont permis de montrer que le gonflement cornéen, provoqué principalement par un manque d’oxygénation, varie localement à la cornée. Pour expliquer cette hétérogénéité spatiale, un modèle mathématique de l’oxygénation de la cornée a été développé en géométrie 2D. Le modèle intègre la description des phénomènes de transfert de matière (transfert et diffusion de l’oxygène) et des réactions biochimiques au sein de la cornée par voies aérobie et anaérobie. Le modèle apermis d’identifier les points limitants de l’oxygénation de la cornée dans différentes conditions de port du sensor, en intégrant un décentrage potentiel, et pour différents designs du dispositif. En tant qu’outil prédictif, le modèle a également permis d’identifier des stratégies d’amélioration telle que la diminution de la surface du circuit, l’implémentation des canaux d’oxygénation ou l’augmentation de la perméabilité des matériaux de fabrication
This work presents a study of the cornea oxygenation in the presence of an ocular device (sensor). This device aims to allow continuous measurement of intraocular pressure in order to better anticipate the onset of glaucoma. The oxygenation study was carried out using coupled modeling and experimental approaches. The experimental apparatus developed in this work, based on a chronoamperometric method, enabled to measure the oxygen permeability of the materials used to manufacture the sensor as well as the overall device permeability. Experimental OCT measurements concerning the change in corneal thickness have shown that corneal swelling, caused mainly by a lack of oxygenation, varies locally at the cornea. To explain this spatial heterogeneity, a mathematical model of corneal oxygenation has been developed in 2D geometry. The model involves the description of mass transfer phenomena (oxygen transfer and diffusion) and biochemical reactions within the cornea by aerobic and anaerobic pathways. The model enabled to identify the limiting phenomena of cornea oxygenation under different conditions of sensor wearing, by integrating a potential decentering, and for different designs of the device. As a predictive tool, the model also identified improvement strategies such as reducing the surface area of the circuit, implementing oxygen channels or increasing the permeability of manufacturing materials

Plusieurs problèmes d'ordonnancement cyclique ont été étudiés dans la littérature. Cependant, la plupart de ces travaux considèrent que les paramètres sont connus avec certitude et ne prennent pas en compte les différents aléas qui peuvent survenir. Par ailleurs, un ordonnancement optimal pour un problème déterministe peut très vite devenir le pire ordonnancement en présence d'incertitude. Parmi les incertitudes que nous pouvons rencontrer dans les problèmes d'ordonnancement, la variation des durées des tâches par rapport au valeurs estimées, pannes des machines, incorporation de nouvelles tâches qui ne sont pas considérées au départ, etc. Dans cette thèse, nous étudions des problèmes d'ordonnancement cyclique où les durées des tâches sont affectées par des incertitudes. Ces dernières sont décrites par un ensemble d'incertitude où les durées des tâches sont supposées appartenir à des intervalles et le nombre de déviations par rapport aux valeurs nominales est contrôlé par un paramètre appelé budget d'incertitude. Nous étudions deux problèmes en particulier. Le premier est le problème d'ordonnancement cyclique de base (BCSP). Nous formulons celui-ci comme un problème d'optimisation robuste bi-niveau et, à partir des propriétés de cette formulation, nous proposons différents algorithmes pour le résoudre. Le deuxième problème considéré est le problème du jobshop cyclique. De manière similaire au BSCP, nous proposons une formulation en termes de problème d'optimisation bi-niveau et, en exploitant les algorithmes développés pour le problème d'ordonnancement cyclique de base, nous développons un algorithme de Branch-and-Bound pour le résoudre. Afin d'évaluer l'efficacité de notre méthode nous l'avons comparé à des méthodes de décomposition qui existent dans la littérature pour ce type de problèmes. Enfin, nous avons étudié une version du problème du jobshop cyclique où les durées des tâches prennent des valeurs dans des intervalles d'une manière uniforme et dont l'objectif est de minimiser la valeur moyenne du temps de cycle. Pour résoudre ce problème nous avons adopté un algorithme de Branch-and-Bound où chaque sous-problème de l'arbre de recherche consiste à calculer le volume d'un polytope. Enfin, pour montrer l'efficacité de chacune de ses méthodes, des résultats numériques sont présentés
Several studies on cyclic scheduling problems have been presented in the literature. However, most of them consider that the problem parameters are deterministic and do not consider possible uncertainties on these parameters. However, the best solution for a deterministic problem can quickly become the worst one in the presence of uncertainties, involving bad schedules or infeasibilities. Many sources of uncertainty can be encountered in scheduling problems, for example, activity durations can decrease or increase, machines can break down, new activities can be incorporated, etc. In this PhD thesis, we focus on scheduling problems that are cyclic and where activity durations are affected by uncertainties. More precisely, we consider an uncertainty set where each task duration belongs to an interval, and the number of parameters that can deviate from their nominal values is bounded by a parameter called budget of uncertainty. This parameter allows us to control the degree of conservatism of the resulting schedule. In particular, we study two cyclic scheduling problems. The first one is the basic cyclic scheduling problem (BCSP). We formulate the problem as a two-stage robust optimization problem and, using the properties of this formulation, we propose three algorithms to solve it. The second considered problem is the cyclic jobshop problem (CJSP). As for the BCSP, we formulate the problem as two-stage robust optimization problem and by exploiting the algorithms proposed for the robust BCSP we propose a Branch-and-Bound algorithm to solve it. In order to evaluate the efficiency of our method, we compared it with classical decomposition methods for two-stage robust optimization problems that exist in the literature. We also studied a version of the CJSP where each task duration takes uniformly values within an interval and where the objective is to minimize the mean value of the cycle time. In order to solve the problem, we adapted the Branch-and-Bound algorithm where in each node of the search tree, the problem to be solved is the computation of a volume of a polytope. Numerical experiments assess the efficiency of the proposed methods

Les infrastructures virtuelles de cloud sont de plus en plus exploitées pour relever les défis de calcul intensif en sciences comme dans l’industrie. Elles fournissent des ressources de calcul, de communication et de stockage à la demande pour satisfaire les besoins des applications à grande échelle. Pour s’adapter à la diversité de ces infrastructures, de nouveaux outils et modèles sont nécessaires. L’estimation de la quantité de ressources consommées par chaque application est un problème particulièrement difficile, tant pour les utilisateurs qui visent à minimiser leurs coûts que pour les fournisseurs d’infrastructure qui visent à contrôler l’allocation des ressources. Même si une quantité quasi illimitée de ressources peut être allouée, un compromis doit être trouvé entre le coût de l’infrastructure allouée, la performance attendue et la performance optimale atteignable qui dépend du niveau de parallélisme inhérent à l’application. Partant du cas d’utilisation de l’analyse d’images médicales, un domaine scientifique représentatif d’un grand nombre d’applications à grandes échelle, cette thèse propose un modèle de coût à grain fin qui s’appuie sur l’expertise extraite de l’application formalisée comme un flot. Quatre stratégies d’allocation des ressources basées sur ce modèle de coût sont introduites. En tenant compte à la fois des ressources de calcul et de communication, ces stratégies permettent aux utilisateurs de déterminer la quantité de ressources de calcul et de bande passante à réserver afin de composer leur environnement d’exécution. De plus, l’optimisation du transfert de données et la faible fiabilité des systèmes à grande échelle, qui sont des problèmes bien connus ayant un impact sur la performance de l’application et donc sur le coût d’utilisation des infrastructures, sont également pris en considération. Les expériences exposées dans cette thèse ont été effectuées sur la plateforme Aladdin/Grid’50000, en utilisant l’intergiciel HIPerNet. Ce gestionnaire de plateforme vituelle permet la virtualisation de ressources de calcul et de communication. Une application réelle d’analyse d’images médicales a été utilisée pour toutes les validations expérimentales. Les résultats expérimentaux montrent la validité de l’approche en termes de contrôle du coût de l’infrastructure et de la performance des applications. Nos contributions facilitent à la fois l’exploitation des infrastructures de cloud, offrant une meilleure qualité de services aux utilisateurs, et la planification de la mise à disposition des ressources virtualisées
Cloud computing is increasingly exploited to tackle the computing challenges raised in both science and industry. Clouds provide computing, network and storage resources on demand to satisfy the needs of large-scale distributed applications. To adapt to the diversity of cloud infrastructures and usage, new tools and models are needed. Estimating the amount of resources consumed by each application in particular is a difficult problem, both for end users who aim at minimizing their cost and infrastructure providers who aim at controlling their resources allocation. Although a quasi-unlimited amount of resources may be allocated, a trade-off has to be found between the allocated infrastructure cost, the expected performance and the optimal performance achievable that depends on the level of parallelization of the applications. Focusing on medical image analysis, a scientific domain representative of the large class of data intensive distributed applications, this thesis propose a fine-grained cost function model relying on the expertise captured form the application. Based on this cost function model, four resources allocation strategies are proposed. Taking into account both computing and network resources, these strategies help users to determine the amount of resources to reserve and compose their execution environment. In addition, the data transfer overhead and the low reliability level, which are well-known problems of large-scale distributed systems impacting application performance and infrastructure usage cost, are also considered. The experiments reported in this thesis were carried out on the Aladdin/Grid’50000 infrastructure, using the HIPerNet virtualization middleware. This virtual platform manager enables the joint virtualization of computing and network resources. A real medical image analysis application was considered for all experimental validations. The experimental results assess the validity of the approach in terms of infrastructure cost and application performance control. Our contributions both facilitate the exploitation of cloud infrastructure, delivering a higher quality of services to end users, and help the planning of cloud resources delivery

Les problèmes d’optimisation apparaissent naturellement pendant l’entraine-ment de modèles d’apprentissage supervises. Un exemple typique est le problème deminimisation du risque empirique (ERM), qui vise a trouver un estimateur en mini-misant le risque sur un ensemble de données. Le principal défi consiste a concevoirdes algorithmes d’optimisation efficaces permettant de traiter un grand nombre dedonnées dans des espaces de grande dimension. Dans ce cadre, les méthodes classiques d’optimisation, telles que l’algorithme de descente de gradient et sa varianteaccélérée, sont couteux en termes de calcul car elles nécessitent de passer a traverstoutes les données a chaque évaluation du gradient. Ce défaut motive le développement de la classe des algorithmes incrémentaux qui effectuent des mises a jour avecdes gradients incrémentaux. Ces algorithmes réduisent le cout de calcul par itération, entrainant une amélioration significative du temps de calcul par rapport auxméthodes classiques. Une question naturelle se pose : serait-il possible d’accélérerdavantage ces méthodes incrémentales ? Nous donnons ici une réponse positive, enintroduisant plusieurs schémas d’accélération génériques.Dans le chapitre 2, nous développons une variante proximale de l’algorithmeFinito/MISO, qui est une méthode incrémentale initialement conçue pour des problèmes lisses et fortement convexes. Nous introduisons une étape proximale dans lamise a jour de l’algorithme pour prendre en compte la pénalité de régularisation quiest potentiellement non lisse. L’algorithme obtenu admet un taux de convergencesimilaire a l’algorithme Finito/MISO original.Dans le chapitre 3, nous introduisons un schéma d’accélération générique, appele Catalyst, qui s’applique a une grande classe de méthodes d’optimisation, dansle cadre d’optimisations convexes. La caractéristique générique de notre schémapermet l’utilisateur de sélectionner leur méthode préférée la plus adaptée aux problemes. Nous montrons que en appliquant Catalyst, nous obtenons un taux deconvergence accélère. Plus important, ce taux coïncide avec le taux optimale desméthodes incrémentales a un facteur logarithmique pres dans l’analyse du pire descas. Ainsi, notre approche est non seulement générique mais aussi presque optimale du point de vue théorique. Nous montrons ensuite que l’accélération est bienprésentée en pratique, surtout pour des problèmes mal conditionnes.Dans le chapitre 4, nous présentons une seconde approche générique qui appliqueles principes Quasi-Newton pour accélérer les méthodes de premier ordre, appeléeQNing. Le schéma s’applique a la même classe de méthodes que Catalyst. En outre,il admet une simple interprétation comme une combinaison de l’algorithme L-BFGSet de la régularisation Moreau-Yosida. A notre connaissance, QNing est le premieralgorithme de type Quasi-Newton compatible avec les objectifs composites et lastructure de somme finie.Nous concluons cette thèse en proposant une extension de l’algorithme Catalyst au cas non convexe. Il s’agit d’un travail en collaboration avec Dr. CourtneyPaquette et Pr. Dmitriy Drusvyatskiy, de l’Université de Washington, et mes encadrants de thèse. Le point fort de cette approche réside dans sa capacité a s’adapterautomatiquement a la convexité. En effet, aucune information sur la convexité de lafonction n’est nécessaire avant de lancer l’algorithme. Lorsque l’objectif est convexe,l’approche proposée présente les mêmes taux de convergence que l’algorithme Catalyst convexe, entrainant une accélération. Lorsque l’objectif est non-convexe, l’algorithme converge vers les points stationnaires avec le meilleur taux de convergencepour les méthodes de premier ordre. Des résultats expérimentaux prometteurs sontobserves en appliquant notre méthode a des problèmes de factorisation de matriceparcimonieuse et a l’entrainement de modèles de réseaux de neurones
Optimization problems arise naturally in machine learning for supervised problems. A typical example is the empirical risk minimization (ERM) formulation, which aims to find the best a posteriori estimator minimizing the regularized risk on a given dataset. The current challenge is to design efficient optimization algorithms that are able to handle large amounts of data in high-dimensional feature spaces. Classical optimization methods such as the gradient descent algorithm and its accelerated variants are computationally expensive under this setting, because they require to pass through the entire dataset at each evaluation of the gradient. This was the motivation for the recent development of incremental algorithms. By loading a single data point (or a minibatch) for each update, incremental algorithms reduce the computational cost per-iteration, yielding a significant improvement compared to classical methods, both in theory and in practice. A natural question arises: is it possible to further accelerate these incremental methods? We provide a positive answer by introducing several generic acceleration schemes for first-order optimization methods, which is the main contribution of this manuscript. In chapter 2, we develop a proximal variant of the Finito/MISO algorithm, which is an incremental method originally designed for smooth strongly convex problems. In order to deal with the non-smooth regularization penalty, we modify the update by introducing an additional proximal step. The resulting algorithm enjoys a similar linear convergence rate as the original algorithm, when the problem is strongly convex. In chapter 3, we introduce a generic acceleration scheme, called Catalyst, for accelerating gradient-based optimization methods in the sense of Nesterov. Our approach applies to a large class of algorithms, including gradient descent, block coordinate descent, incremental algorithms such as SAG, SAGA, SDCA, SVRG, Finito/MISO, and their proximal variants. For all of these methods, we provide acceleration and explicit support for non-strongly convex objectives. The Catalyst algorithm can be viewed as an inexact accelerated proximal point algorithm, applying a given optimization method to approximately compute the proximal operator at each iteration. The key for achieving acceleration is to appropriately choose an inexactness criteria and control the required computational effort. We provide a global complexity analysis and show that acceleration is useful in practice. In chapter 4, we present another generic approach called QNing, which applies Quasi-Newton principles to accelerate gradient-based optimization methods. The algorithm is a combination of inexact L-BFGS algorithm and the Moreau-Yosida regularization, which applies to the same class of functions as Catalyst. To the best of our knowledge, QNing is the first Quasi-Newton type algorithm compatible with both composite objectives and the finite sum setting. We provide extensive experiments showing that QNing gives significant improvement over competing methods in large-scale machine learning problems. We conclude the thesis by extending the Catalyst algorithm into the nonconvex setting. This is a joint work with Courtney Paquette and Dmitriy Drusvyatskiy, from University of Washington, and my PhD advisors. The strength of the approach lies in the ability of the automatic adaptation to convexity, meaning that no information about the convexity of the objective function is required before running the algorithm. When the objective is convex, the proposed approach enjoys the same convergence result as the convex Catalyst algorithm, leading to acceleration. When the objective is nonconvex, it achieves the best known convergence rate to stationary points for first-order methods. Promising experimental results have been observed when applying to sparse matrix factorization problems and neural network models

Dans la première partie de cette thèse, nous utilisons l'algorithme d'Expectation-Maximization (EM) pour estimer en aveugle les amplitudes des coefficients du canal, et nous comparons les résultats avec la borne de Cramer-Rao. De plus, nous développons une version relaxe de la détection MV, à faible complexité et montrons que ses performances surpassent celles du détecteur d'erreur quadratique moyenne minimale (EQMM). La deuxième partie de cette thèse concerne le problème de la détection dans les systèmes MEMS. Nous proposerons un algorithme de détection MV utilisant une approche géométrique discrète. L'avantage de cet algorithme est sa complexité polynomiale, quel que soit le rapport signal-bruit, et le fait qu'aucune méthode heuristique n'est employé. Nous obtenons une méthode MV approches a faible complexité par l'approche de la programmation en cone du deuxième ordre. Nous établissons également des bornes sur la performance de la méthode de programmation semi-definie. Jusqu'ici, la connaissance de l'état du canal était considéré comme parfaite. Nous avons également explore le problème de la détection sans connaissance du canal au récepteur. Le résultat est un algorithme d'estimation conjointe du canal et des symboles, base sur l'algorithme EM, et la théorie du champ dynamique moyen (CDM, ou mean field theory, méthode largement utilise en physique statistique) pour en réduire la complexité L'approche du CDM est utilise pour approximer les probabilité {\em a posteriori} d'interférence d'access multiple. Les performances de la méthode propose sont compares a celles du détecteur MV exact pour un canal connu
We focus on low complexity maximum likelihood detection. The em algorithm is a broadly applicable approach to the iterative computation of ml estimates, useful in variety of incomplete-data problems, where algorithms such as the newton-raphson method may turn out to be more complicated. In the first part of the thesis, we use em algorithm to estimate the channel amplitudes blindly and compare the results with the cramer-rao bound (crb). The second part of the thesis concerns the detection problem in mimo systems. We are able to device an algorithm for approximate ml detection using a discrete geometric approach. The advantage of this algorithm is that its performance is polynomial irrespective of the snr and no heuristic is employed in our algorithm. An alternative way to ml problem is to devise low complexity algorithms whose performance is close to the exact ml. This can be done using semidefinite programming (sdp) approach. The computational complexity of the sdp approach is comparable to the average complexity of the sphere decoder but still it is quite complicated for large systems. We obtained low complexity (by reducing the number of the variables) approximate ml by second order cone programming (socp) approach. In the above discussion the channel state information is assumed to be known at the receiver. We further looked into the problem of detection with no channel knowledge at the receiver. The result was the joint channel-symbol estimation. We obtained the results of joint channel-symbol estimation using em algorithm and in order to reduce the complexity of the resulting em algorithm, we used mean field theory (mft) approach

La récupération d'énergie par élément piézoélectrique est une technique prometteuse pour les futurs systèmes électroniques nomades autoalimentés. L'objet de ce travail est d’analyser des approches simples et agiles d’optimisation de la puissance produite par un générateur piézoélectrique. D'abord le problème de l’optimisation de l’impédance de charge d’un générateur piézoélectrique sismique est posé. Une analyse du schéma équivalent global de ce générateur a été menée sur la base du schéma de Mason. Il est démontré que la puissance extraite avec une charge complexe adaptée puisse être constante quelle que soit la fréquence et que de plus elle est égale à la puissance extraite avec la charge résistive adaptée du même système sans pertes. Il est montré toutefois que la sensibilité de cette adaptation à la valeur de la réactance de la charge la rend difficilement réaliste pour une application pratique. Une autre solution pour améliorer l’énergie extraite est de considérer un réseau de générateurs positionnés en différents endroits d’une structure. Des simulations sont proposées dans une configuration de récupération d’énergie de type directe sur une plaque encastrée. Les générateurs piézoélectriques, associés à la technique SSHI, ont été reliés selon différentes configurations. Les résultats attestent que l’énergie produite ne dépend pas de façon critique de la manière dont sont connectés les éléments. Toutefois l’utilisation d’un seul circuit SSHI pour l’ensemble du réseau dégrade l’énergie extraite du fait des interactions entre les trop nombreuses commutations. Enfin une nouvelle approche non-linéaire est étudiée qui permet l’optimisation de l’énergie extraite tout en gardant une grande simplicité et des possibilités d’auto alimentation. Cette technique appelée S3H pour « Synchronized Serial Switch Harvesting » n’utilise pas d’inductance et consiste en un simple interrupteur en série avec l’élément piézoélectrique. La puissance récupérée est le double de celle extraite par les méthodes conventionnelles et reste totalement invariante sur une large gamme de résistances de charge
Piezoelectric energy harvesting is a promising technique for battery-less miniature electronic devices. The object of this work is to evaluate simple and robust approaches to optimize the extracted power. First, a lightweight equivalent circuit derived from the Mason equivalent circuit is proposed. It’s a comprehensive circuit, which is suitable for piezoelectric seismic energy harvester investigation and power optimization. The optimal charge impedance for both the resistive load and complex load are given and analyzed. When complex load type can be implemented, the power output is constant at any excitation frequency with constant acceleration excitation. This power output is exactly the maximum power that can be extracted with matched resistive load without losses. However, this wide bandwidth optimization is not practical due to the high sensitivity the reactive component mismatch. Another approach to improve power extraction is the capability to implement a network of piezoelectric generators harvesting on various frequency nodes and different locations on a host structure. Simulations are conducted in the case of direct harvesting on a planar structure excited by a force pulse. These distributed harvesters, equipped with nonlinear technique SSHI (Synchronized Switching Harvesting on Inductor) devices, were connected in parallel, series, independently and other complex forms. The comparison results showed that the energy output didn’t depend on the storage capacitor connection method. However, only one set of SSHI circuit for a whole distributed harvesters system degrades the energy scavenging capability due to switching conflict. Finally a novel non-linear approach is proposed to allow optimization of the extracted energy while keeping simplicity and standalone capability. This circuit named S3H for “ Synchronized Serial Switch Harvesting” does not rely on any inductor and is constructed with a simple switch. The power harvested is more than twice the conventional technique one on a wide band of resistive load

L’élasticité est pensée comme une solution importante pour gérer des problèmes de performance dans les systèmes répartis. Toutefois, la plupart des recherches d’élasticité ne concernent que l’approvisionnement de ressources de manière automatique, mais ignorent toujours l’utilisation des ressources provisionnées. Cela pourrait conduire à des fuites de ressources, ce qui entraîne des dépenses inutiles. Pour éviter des problèmes, mes recherches se concentrent donc sur la maximisation de l’utilisation des ressources par l’auto-gestion des ressources. Dans cette thèse, en raison de divers problèmes de l’utilisation des ressources dans les différentes couches, je propose deux approches de gestion de ressources correspondant à l’infrastructure et la plate-forme, respectivement. Pour surmonter la limitation des infrastructures, je propose CloudGC comme service de middleware qui vise à libérer les ressources occupées par machines virtuelles qui tournent au ralenti. Dans la couche de plate-forme, une approche d’auto-équilibrage est introduite pour ajuster la configuration de Hadoop lors de l’exécution, ce qui optimise dynamiquement les performances de système. Enfin, cette thèse aussi concerne le déploiement rapide de Hadoop. Un nouvel outil, appelé "hadoop-benchmark", applique docker pour accélérer l’installation de Hadoop et fournir un ensemble d’images de docker qui contiennent plusieurs Hadoop benchmarks bien connus. Les évaluations montrent que ces approches et cet outil peuvent parvenir à l’auto-gestion des ressources dans différentes couches, puis de faciliter l’élasticité de l’infrastructure et de la plate-forme dans le Cloud computing
Elasticity is considered as an important solution to handle the performance issues in scalable distributed system. However, most of the researches of elasticity only concern the provisioning and de-provisioning resources in automatic ways, but always ignore the resource utilization of provisioned resources. This might lead to resource leaks while provisioning redundant resources, thereby causing unnecessary expenditure. To avoid the resource leaks and redundant resources, my research therefore focus on how to maximize resource utilization by self resource management. In this thesis, relevant to diverse problems of resource usage and allocation in different layers, I propose two resource management approaches corresponding to infrastructure and platform, respectively. To overcome infrastructure limitation, I propose CloudGC as middleware service which aims to free occupied resources by recycling idle VMs. In platform-layer, a self-balancing approach is introduced to adjust Hadoop configuration at runtime, thereby avoiding memory loss and dynamically optimizing Hadoop performance. Finally, this thesis concerns rapid deployment of service which is also an issue of elasticity. A new tool, named "hadoop-benchmark", applies docker to accelerate the installation of Hadoop cluster and to provide a set of docker images which contain several well-known Hadoop benchmarks.The assessments show that these approaches and tool can well achieve resource management and self-optimization in various layers, and then facilitate the elasticity of infrastructure and platform in scalable platform, such as Cloud computing

Le but de cette thèse est de tenté de donner une meilleure compréhension des nouveaux paradigmes de l'informatique en Nuage. En ce qui concerne l'Ingénierie du Trafic, l'économie d'énergie, de l'équité dans le partage du débit.Dans la première partie de note thèse, nous étudions l'impact de ces nouvelles techniques dans les réseaux de Data Center, nous avons formulé notre problème en un modèle d'optimisation, et nous le résolvons en utilisons un algorithme glouton. Nous avons étudié l'impact des ponts virtuels et du multi chemin sur différentes architectures de Data Centers. Nous avons en particulier étudié l’impact de la virtualisation des switches et l’utilisation du multi-chemin sur les différents objectifs d'optimisation tels que l'Ingénierie du Trafic, l'économie d'énergie.Dans notre seconde partie, nous avons essayé d’avoir une meilleure compréhension de l'impact des nouvelles architectures sur le contrôle de congestion, et vice versa. En effet, l'une des préoccupations majeures du contrôle de congestion est l'équité en terme de débit, l'impact apporté par le multi-chemin, les nouvelles architectures Data Center et les nouveaux protocoles, sur le débit des points terminaux et des points d'agrégations reste vague.Enfin, dans la troisième partie nous avons fait un travail préliminaire sur le nouveau paradigme introduit par la possibilité de virtualisé les Fonctions Réseaux. Dans cette partie, nous avons formulé le problème en un modèle linéaire, dans le but est de trouver le meilleur itinéraire à travers le réseau où les demandes des clients doivent passer par un certain nombre de NFV
This dissertation tries to give a deep understanding of the impact of the new Cloud paradigms regarding to the Traffic Engineering goal, to the Energy Efficiency goal, to the fairness in the endpoints offered throughput, and of the new opportunities given by virtualized network functions.In the first part of our dissertation we investigate the impact of these novel features in Data Center Network optimization, providing a formal comprehensive mathematical formulation on virtual machine placement and a metaheuristic for its resolution. We show in particular how virtual bridging and multipath forwarding impact common DCN optimization goals, Traffic Engineering and Energy Efficiency, assess their utility in the various cases in four different DCN topologies.In the second part of the dissertation our interest move into better understand the impact of novel attened and modular DCN architectures on congestion control protocols, and vice-versa. In fact, one of the major concerns in congestion control being the fairness in the offered throughput, the impact of the additional path diversity, brought by the novel DCN architectures and protocols, on the throughput of individual endpoints and aggregation points is unclear.Finally, in the third part we did a preliminary work on the new Network Function Virtualization paradigm. In this part we provide a linear programming formulation of the problem based on virtual network function chain routing problem in a carrier network. The goal of our formulation is to find the best route in a carrier network where customer demands have to pass through a number of NFV node, taking into consideration the unique constraints set by NFV

Les problèmes d’optimisation combinatoire sont généralement réputés NP-difficiles, donc il n’y a pas d’algorithmes efficaces pour les résoudre. Afin de trouver des solutions optimales locales ou réalisables, on utilise souvent des heuristiques ou des algorithmes approchés. Les dernières décennies ont vu naitre des méthodes approchées connues sous le nom de métaheuristiques, et qui permettent de trouver une solution approchées. Cette thèse propose de résoudre des problèmes d’optimisation déterministe et stochastique à l’aide de métaheuristiques. Nous avons particulièrement étudié la méthode de voisinage variable connue sous le nom de VNS. Nous avons choisi cet algorithme pour résoudre nos problèmes d’optimisation dans la mesure où VNS permet de trouver des solutions de bonne qualité dans un temps CPU raisonnable. Le premier problème que nous avons étudié dans le cadre de cette thèse est le problème déterministe de largeur de bande de matrices creuses. Il s’agit d’un problème combinatoire difficile, notre VNS a permis de trouver des solutions comparables à celles de la littérature en termes de qualité des résultats mais avec temps de calcul plus compétitif. Nous nous sommes intéressés dans un deuxième temps aux problèmes de réseaux mobiles appelés OFDMA-TDMA. Nous avons étudié le problème d’affectation de ressources dans ce type de réseaux, nous avons proposé deux modèles : Le premier modèle est un modèle déterministe qui permet de maximiser la bande passante du canal pour un réseau OFDMA à débit monodirectionnel appelé Uplink sous contraintes d’énergie utilisée par les utilisateurs et des contraintes d’affectation de porteuses. Pour ce problème, VNS donne de très bons résultats et des bornes de bonne qualité. Le deuxième modèle est un problème stochastique de réseaux OFDMA d’affectation de ressources multi-cellules. Pour résoudre ce problème, on utilise le problème déterministe équivalent auquel on applique la méthode VNS qui dans ce cas permet de trouver des solutions avec un saut de dualité très faible. Les problèmes d’allocation de ressources aussi bien dans les réseaux OFDMA ou dans d’autres domaines peuvent aussi être modélisés sous forme de problèmes d’optimisation bi-niveaux appelés aussi problèmes d’optimisation hiérarchique. Le dernier problème étudié dans le cadre de cette thèse porte sur les problèmes bi-niveaux stochastiques. Pour résoudre le problème lié à l’incertitude dans ce problème, nous avons utilisé l’optimisation robuste plus précisément l’approche appelée « distributionnellement robuste ». Cette approche donne de très bons résultats légèrement conservateurs notamment lorsque le nombre de variables du leader est très supérieur à celui du suiveur. Nos expérimentations ont confirmé l’efficacité de nos méthodes pour l’ensemble des problèmes étudiés
Combinatorial optimization problems are generally NP-hard problems, so they can only rely on heuristic or approximation algorithms to find a local optimum or a feasible solution. During the last decades, more general solving techniques have been proposed, namely metaheuristics which can be applied to many types of combinatorial optimization problems. This PhD thesis proposed to solve the deterministic and stochastic optimization problems with metaheuristics. We studied especially Variable Neighborhood Search (VNS) and choose this algorithm to solve our optimization problems since it is able to find satisfying approximated optimal solutions within a reasonable computation time. Our thesis starts with a relatively simple deterministic combinatorial optimization problem: Bandwidth Minimization Problem. The proposed VNS procedure offers an advantage in terms of CPU time compared to the literature. Then, we focus on resource allocation problems in OFDMA systems, and present two models. The first model aims at maximizing the total bandwidth channel capacity of an uplink OFDMA-TDMA network subject to user power and subcarrier assignment constraints while simultaneously scheduling users in time. For this problem, VNS gives tight bounds. The second model is stochastic resource allocation model for uplink wireless multi-cell OFDMA Networks. After transforming the original model into a deterministic one, the proposed VNS is applied on the deterministic model, and find near optimal solutions. Subsequently, several problems either in OFDMA systems or in many other topics in resource allocation can be modeled as hierarchy problems, e.g., bi-level optimization problems. Thus, we also study stochastic bi-level optimization problems, and use robust optimization framework to deal with uncertainty. The distributionally robust approach can obtain slight conservative solutions when the number of binary variables in the upper level is larger than the number of variables in the lower level. Our numerical results for all the problems studied in this thesis show the performance of our approaches

Le domaine de recherche de cette thèse est l'optimisation linéaire robuste en deux étapes. Nous sommes intéressés par des algorithmes d'exploration de sa structure et aussi pour ajouter des alternatives afin d'atténuer le conservatisme inhérent à une solution robuste. Nous développons des algorithmes qui incorporent ces alternatives et sont personnalisés pour fonctionner avec des exemples de problèmes à moyenne ou grande échelle. En faisant cela, nous expérimentons une approche holistique du conservatisme en optimisation linéaire robuste et nous rassemblons les dernières avancées dans des domaines tels que l'optimisation robuste basée sur les données, optimisation robuste par distribution et optimisation robuste adaptative. Nous appliquons ces algorithmes dans des applications définies du problème de conception / chargement du réseau, problème de planification, problème combinatoire min-max-min et problème d'affectation de la flotte aérienne. Nous montrons comment les algorithmes développés améliorent les performances par rapport aux implémentations précédentes
The research scope of this thesis is two-stage robust linear optimization. We are interested in investigating algorithms that can explore its structure and also on adding alternatives to mitigate conservatism inherent to a robust solution. We develop algorithms that incorporate these alternatives and are customized to work with rather medium or large scale instances of problems. By doing this we experiment a holistic approach to conservatism in robust linear optimization and bring together the most recent advances in areas such as data-driven robust optimization, distributionally robust optimization and adaptive robust optimization. We apply these algorithms in defined applications of the network design/loading problem, the scheduling problem, a min-max-min combinatorial problem and the airline fleet assignment problem. We show how the algorithms developed improve performance when compared to previous implementations

This thesis studies parametric optimization in cellular and cell-free networks, exploring data-based and expert-based paradigms. Power allocation and power control, which adjust the transmit power to meet different fairness criteria such as max-min or max-product, are crucial tasks in wireless communications that fall into the parametric optimization category. The state-of-the-art approaches for power control and power allocation often demand huge computational costs and are not suitable for real-time applications. To address this issue, we develop a general-purpose unsupervised-learning approach for solving parametric optimizations; and extend the well-known fractional power control algorithm. In the data-based paradigm, we create an unsupervised learning framework that defines a custom neural network (NN), incorporating expert knowledge to the NN loss function to solve the power control and power allocation problems. In this approach, a feedforward NN is trained by repeatedly sampling the parameter space, but, rather than solving the associated optimization problem completely, a single step is taken along the gradient of the objective function. The resulting method is applicable for both convex and non-convex optimization problems. It offers two-to-three orders of magnitude speedup in the power control and power allocation problems compared to a convex solver—whenever appliable. In the expert-driven paradigm, we investigate the extension of fractional power control to cell-free networks. The resulting closed-form solution can be evaluated for uplink and downlink effortlessly and reaches an (almost) optimum solution in the uplink case. In both paradigms, we place a particular focus on large scale gains—the amount of attenuation experienced by the local-average received power. The slow-varying nature of the large-scale gains relaxes the need for a frequent update of the solutions in both the data-driven and expert-driven paradigms, enabling real-time application for both methods.
Aqueta tesis estudia l’optimització paramètrica a les xarxes cel.lulars i xarxes cell-free, explotant els paradigmes basats en dades i basats en experts. L’assignació i control de la potencia, que ajusten la potencia de transmissió per complir amb diferents criteris d’equitat com max-min o max-product, son tasques crucials en les telecomunicacions inalàmbriques pertanyents a la categoria d’optimització paramètrica. Les tècniques d’última generació per al control i assignació de la potència solen exigir enormes costos computacionals i no son adequats per aplicacions en temps real. Per abordar aquesta qüestió, desenvolupem una tècnica de propòsit general utilitzant aprenentatge no supervisat per resoldre optimitzacions paramètriques; i al mateix temps ampliem el reconegut algoritme de control de potencia fraccionada. En el paradigma basat en dades, creem un marc d’aprenentatge no supervisat que defineix una xarxa neuronal (NN, sigles de Neural Network en Anglès) especifica, incorporant coneixements experts a la funció de cost de la NN per resoldre els problemes de control i assignació de potència. Dins d’aquest enfocament, s’entrena una NN de tipus feedforward mitjançant el mostreig repetit en l’espai de paràmetres, però, en lloc de resoldre completament el problema d’optimització associat, es pren un sol pas en la direcció del gradient de la funció objectiu. El mètode resultant ´es aplicable tant als problemes d’optimització convexos com no convexos. Això ofereix una acceleració de dos a tres ordres de magnitud en els problemes de control i assignació de potencia en comparació amb un algoritme de resolució convexa—sempre que sigui aplicable. En el paradigma dirigit per experts, investiguem l’extensió del control de potencia fraccionada a les xarxes sense cèl·lules. La solució tancada resultant pot ser avaluada per a l’enllaç de pujada i el de baixada sense esforç i assoleix una solució (gaire) òptima en el cas de l’enllaç de pujada. En ambdós paradigmes, ens centrem especialment en els guanys a gran escala—la quantitat d’atenuació que experimenta la potencia mitja local rebuda. La naturalesa de variació lenta dels guanys a gran escala relaxa la necessitat d’una actualització freqüent de les solucions tant en el paradigma basat en dades com en el basat en experts, permetent d’aquesta manera l’ús dels dos mètodes en aplicacions en temps real.
Esta tesis estudia la optimización paramétrica en las redes celulares y redes cell-free, explorando los paradigmas basados en datos y en expertos. La asignación y el control de la potencia, que ajustan la potencia de transmisión para cumplir con diferentes criterios de equidad como max-min o max-product, son tareas cruciales en las comunicaciones inalámbricas pertenecientes a la categoría de optimización paramétrica. Los enfoques más modernos de control y asignación de la potencia suelen exigir enormes costes computacionales y no son adecuados para aplicaciones en tiempo real. Para abordar esta cuestión, desarrollamos un enfoque de aprendizaje no supervisado de propósito general que resuelve las optimizaciones paramétricas y a su vez ampliamos el reconocido algoritmo de control de potencia fraccionada. En el paradigma basado en datos, creamos un marco de aprendizaje no supervisado que define una red neuronal (NN, por sus siglas en inglés) específica, incorporando conocimiento de expertos a la función de coste de la NN para resolver los problemas de control y asignación de potencia. Dentro de este enfoque, se entrena una NN de tipo feedforward mediante el muestreo repetido del espacio de parámetros, pero, en lugar de resolver completamente el problema de optimización asociado, se toma un solo paso en la dirección del gradiente de la función objetivo. El método resultante es aplicable tanto a los problemas de optimización convexos como no convexos. Ofrece una aceleración de dos a tres órdenes de magnitud en los problemas de control y asignación de potencia, en comparación con un algoritmo de resolución convexo—siempre que sea aplicable. Dentro del paradigma dirigido por expertos, investigamos la extensión del control de potencia fraccionada a las redes cell-free. La solución de forma cerrada resultante puede ser evaluada para el enlace uplink y el downlink sin esfuerzo y alcanza una solución (casi) óptima en el caso del enlace uplink. En ambos paradigmas, nos centramos especialmente en las large-scale gains— la cantidad de atenuación que experimenta la potencia media local recibida. La naturaleza lenta y variable de las ganancias a gran escala relaja la necesidad de una actualización frecuente de las soluciones tanto en el paradigma basado en datos como en el basado en expertos, permitiendo el uso de ambos métodos en aplicaciones en tiempo real.

La conception de systèmes de communication sans fil supportant les services émergents suscite de plus en plus d'intérêt et ne cesse de poser des problèmes et des défis techniques à la communauté scientifique. Dans cette thèse, nous avons adressé trois de ces problèmes. La première contribution porte sur la fiabilisation des liaisons sans fil et en particulier sur la protection des données contre les évanouissements de longue durée dans le cadre d'un lien "satellite vers mobile". Nous avons proposé un algorithme innovant, appelé Codage Multi-rafale Glissant (CMRG), qui étend la protection “intra-rafale” (MPE-FEC) de DVB-H à une protection “inter-rafale”. Ce nouveau mécanisme permet la récupération de rafales intégralement perdues tout en prenant en compte les spécificités des équipements mobiles de poche. S'appuyant sur une organisation intelligente des données, notre algorithme offre une protection améliorée contre les évanouissements du signal de longue durée tout en utilisant le codage Reed-Solomon implémenté dans les puces DVB-H. CMRG a été approuvé par le Forum DVB et a été intégré à la norme DVB-SH dans laquelle il joue désormais un rôle clé. La deuxième contribution de cette thèse est liée à l'optimisation pratique de la bande passante dans le cadre de liaisons sans fil. Nous avons proposé WANcompress, une technique de compression de bande passante permettant de détecter et d'éliminer le trafic réseau redondant en envoyant uniquement une étiquette au lieu d'envoyer les paquets d'origine. Là où les techniques de compression habituelles opèrent sur des kilooctets (quelques secondes de trafic), WANcompress travaille à une échelle beaucoup plus importante de l'ordre de giga-octets (plusieurs jours, voire semaines de trafic). Nous avons effectué des expérimentations poussées qui ont montré que que Wancompress permet d'atteindre un facteur 25 en compression, ainsi qu'un facteur 22 en accélération. Des essais conduits sur des liens WiMAX et Satellite opérationnels transportant un trafic réel ont montré que WANcompress a amélioré considérablement le débit (jusqu'à 10 fois), et en moyenne 33% de la bande passante a été économisée. La troisième contribution de cette thèse est liée à la simulation des réseaux sans fil. Nous avons proposé un module IEEE 802. 16 WiMAX pour le simulateur ns-3. Notre module fournit une mise en oeuvre détaillée et conforme au standard de la topologie point-à-multipoint (PMP) avec le mode “Time Division Duplex” (TDD). Il supporte un grand nombre de fonctionnalités, permettant ainsi la simulation d'un ensemble riche et varié de scénarios tout en fournissant des résultats proches de la réalité. Ces fonctionnalités incluent notamment la gestion de la qualité de service (QoS), l'ordonnancement efficace du trafic montant et descendant, la classification des paquets, la gestion de la bande passante, la création dynamique de flux de service, ainsi qu'une simulation fiable de la couche OFDM qui permet le passage à l'échelle. Ce module a été fusionné avec la branche principale du simulateur ns-3, et est devenue l'une de ses composantes de base à partir de la version v3. 8
Today, many technical challenges remain in the design of wireless networks to support emerging services. The main contributions of this thesis are three-fold in addressing some of these issues. The first contribution addresses the reliability of wireless links, in particular through data protection against long fading time (also known as slow fading) in the context of a direct satellite-to-mobile link. We propose an innovative algorithm, called Multi Burst Sliding Encoding (MBSE), that extends the existing DVB-H intra-burst (MPEFEC) protection to an inter-burst protection. Our MBSE algorithm allows complete burst losses to be recovered, while taking into account the specificity of mobile hand-held devices. Based on an optimized data organization, our algorithm provides protection against long term fading, while still using the Reed-Solomon code already implemented in mobile hand-held chipsets. MBSE has been approved by the DVB Forum and was integrated in the DVB-SH standard in which it now plays a key role. The second contribution is related to the practical optimization of bandwidth usage in the context of wireless links. We have proposed WANcompress, a bandwidth compression technique for detecting and eliminating redundant network traffic by sending only a label instead of the original packets. It differs from standard compression techniques in that it removes redundant patterns over a large range of time (days/weeks, i. E. Giga-bytes) where as existing compression techniques operate on a smaller windwos scales (seconds, i. E. Few kilo-bytes). We performed intensive experiments that achieved compression factors up to 25 times, and acceleration factors up to 22 times. In a corporate trial conducted over a WiMAX network for one week, WANcompress improved the bitrate up to 10 times, and on average 33% of the bandwidth was saved. The third contribution is related to the simulation of wireless networks. We have proposed a 802. 16 WiMAX module for the widely used ns-3 simulator. Our module provides a detailed and standard-compliant implementation of the Point to Multi-Point (PMP) topology with Time Division Duplex (TDD) mode. It supports a large number of features, thus enabling the simulation of a rich set of WiMAX scenarios, and providing close-to-real results. These features include Quality of Service (QoS) management, efficient scheduling for both up-link and downlink, packet classification, bandwidth management, dynamic flow creation, as well as scalable OFDM physical layer simulation. This module was merged with the main development branch of the ns-3 simulator, and has become one of its standard features as of version v3. 8

Motivé par le besoin "d'optimiser le coût de déploiement des processus métier" les organisations externalisent certaines de leurs opérations vers le cloud computing. Les fournisseurs cloud proposent des stratégies de tarification compétitives (par exemple, à la demande, réservée, ponctuelle) spécifiées en fonction des contraintes temporelles pour répondre aux demandes de changement et de dernières minutes des utilisateurs. En outre, les processus métier ont des contraintes temporelles et toute violation de ces contraintes pourrait entraîner des conséquences sévères. Par conséquent, il est nécessaire de vérifier formellement que l’allocation des ressources cloud dans le processus métier est temporellement correcte. Cependant, en l'absence d'une définition formelle des stratégies de tarification, spécifiée en langage naturel, la consistance temporelle de l'allocation des ressources cloud ne peut pas être vérifiée dans le contexte de gestion de processus métier. En outre, la variété des ressources cloud, des stratégies de tarification et des exigences des activités ne permettent pas au concepteur du processus métier de trouver facilement le coût optimal de déploiement d’un processus métier. Dans cette thèse, nous visons à: (i) améliorer le support, dans un processus métier, des contraintes temporelles des activités, des disponibilités temporelles des ressources cloud ainsi que les stratégies de tarification, (ii) minimiser le coût de déploiement des processus métier dans les ressources cloud. Pour ce faire, nous proposons une spécification formelle des ressources cloud, des stratégies de tarification et des contraintes temporelles des activités. Cette spécification est utilisée pour vérifier formellement la consistance temporelle de l’allocation des ressources cloud dans un processus métier enrichi par des contraintes temporelles. Ensuite, nous proposons deux modèles de programmation linéaire, un programme linéaire binaire et un programme mixte en nombres entiers, pour trouver le coût optimal de déploiement d’un processus métier dans les ressources cloud
Motivated by the need of "optimizing the deployment cost of business processes" organizations outsource some of their operations to cloud computing. Cloud providers offer competitive pricing strategies (e.g., on-demand, reserved, and spot) specified based on temporal constraints to accommodate users' changing and last-minute demands. Besides, the organizations' business processes are time constrained and any violation to these constraints could lead to serious consequences. Therefore, there is a need to formally verify that the cloud resource allocation in a business process is temporally correct. However, due to the lack of a formal definition of cloud pricing strategies, specified in natural language, the temporal correctness of cloud resource allocation in a business process management context can not be verified. Furthermore, the variety of cloud resources, pricing strategies, and activities requirements do not help the business process designer to easily find the optimal business process's deployment cost. In this thesis, our objectives are to: (i) improve the business processes support of temporal constraints on activities and cloud resources, as well as pricing strategies and (ii) minimize the business process deployment cost. To this end, we propose a formal specification for cloud resources, pricing strategies, and activities' temporal constraints. This specification is used to formally verify the temporal correctness of cloud resource allocation in time-aware business processes. Then, we propose two linear program models, binary linear program and mixed integer program, to find the optimal deployment cost of time-aware business processes in cloud resources

En aquest treball s'estudia el problema de la compressió de video utilitzant funcionalitats basades en el contingut en el marc teòric dels sistemes de codificació de seqüències de video basats en regions. Es tracten bàsicament dos problemes: El primer està relacionat amb com es pot aconseguir una codificació òptima en sistemes de codificació de video basats en regions. En concret, es mostra com es pot utilitzar un metodologia de 'rate-distortion' en aquest tipus de problemes. El segon problema que es tracta és com introduir funcionalitats basades en el contingut en un d'aquests sistemes de codificació de video.La teoria de 'rate-distortion' defineix l'optimalitat en la codificació com la representació d'un senyal que, per una taxa de bits donada, resulta en una distorsió mínima al reconstruir el senyal. En el cas de sistemes de codificació basats en regions, això implica obtenir una partició òptima i al mateix temps, un repartiment òptim dels bits entre les diferents regions d'aquesta partició. Aquest problema es formalitza per sistemes de codificació no escalables i es proposa un algorisme per solucionar-lo. Aquest algorisme s'aplica a un sistema de codificació concret anomenat SESAME. En el SESAME, cada quadre de la seqüència de video es segmenta en un conjunt de regions que es codifiquen de forma independent. La segmentació es fa seguint criteris d'homogeneitat espaial i temporal. Per eliminar la redundància temporal, s'utilitza un sistema predictiu basat en la informació de moviment tant per la partició com per la textura. El sistema permet seguir l'evolució temporal de cada regió per tota la seqüència. Els resultats de la codificació són òptims (o quasi-òptims) pel marc donat en un sentit de 'rate-distortion'. El procés de codificació inclou trobar una partició òptima i també trobar la tècnica de codificació i nivell de qualitat més adient per cada regió. Més endavant s'investiga el problema de codificació de video en sistemes amb escalabilitat i que suporten funcionalitats basades en el contingut. El problema es generalitza incloent en l'esquema de codificació les dependències espaials i temporals entre els diferents quadres o entre les diferents capes d'escalabilitat. En aquest cas, la solució requereix trobar la partició òptima i les tècniques de codificació de textura òptimes tant per la capa base com per la capa de millora. A causa de les dependències que hi ha entre aquestes capes, la partició i el conjunt de tècniques de codificació per la capa de millora dependran de les decisions preses en la capa base. Donat que aquest tipus de solucions generalment són molt costoses computacionalment, també es proposa una solució que no té en compte aquestes dependències.Els algorismes obtinguts s'apliquen per extendre SESAME. El sistema de codificació extès, anomenat XSESAME suporta diferents tipus d'escalabilitat (PSNR, espaial i temporal) així com funcionalitats basades en el contingut i la possibilitat de seguiment d'objectes a través de la seqüència de video. El sistema de codificació permet utilitzar dos modes diferents pel que fa a la selecció de les regions de la partició de la capa de millora: El primer mode (supervisat) està pensat per utilitzar funcionalitats basades en el contingut. El segon mode (no supervisat) no suporta funcionalitats basades en el contingut i el seu objectiu és simplement obtenir una codificació òptima a la capa de millora.Un altre tema que s'ha investigat és la integració d'un mètode de seguiment d'objectes en el sistema de codificació. En el cas general, el seguiment d'objectes en seqüències de video és un problema molt complex. Si a més aquest seguiment es vol integrar en un sistema de codificació apareixen problemes addicionals degut a que els requisits necessaris per obtenir eficiència en la codificació poden entrar en conflicte amb els requisits per una bona precisió en el seguiment d'objectes. Aquesta aparent incompatibilitat es soluciona utilitzant un enfocament basat en una doble partició de cada quadre de la seqüència. La partició que s'utilitza per la codificació es resegmenta utilitzant criteris purament espaials. Al projectar aquesta segona partició permet una millor adaptació dels contorns de l'objecte a seguir. L'excés de regions que implicaria aquesta re-segmentació s'elimina amb una etapa de fusió de regions realitzada a posteriori.
En este trabajo se estudia el problema de la compresión de vídeo utilizando funcionalidades basadas en el contenido en el marco teórico de los sistemas de codificación de secuencias de vídeo basados en regiones. Se tratan básicamente dos problemas: El primero está relacionado con la obtención de una codificación óptima en sistemas de codificación de vídeo basados en regiones. En concreto, se muestra como se puede utilizar un metodología de 'rate-distortion' para este tipo de problemas. El segundo problema tratado es como introducir funcionalidades basadas en el contenido en uno de estos sistemas de codificación de vídeo.La teoría de 'rate-distortion' define la optimalidad en la codificación como la representación de una señal que, para un tasa de bits dada, resulta en una distorsión mínima al reconstruir la señal. En el caso de sistemas de codificación basados en regiones, esto implica obtener una partición óptima y al mismo tiempo, un reparto óptimo de los bits entre las diferentes regiones de esta partición. Este problema se formaliza para sistemas de codificación no escalables y se propone un algoritmo para solucionar este problema. Este algoritmo se aplica a un sistema de codificación concreto llamado SESAME. En SESAME, cada cuadro de la secuencia de vídeo se segmenta en un conjunto de regiones que se codifican de forma independiente. La segmentación se hace siguiendo criterios de homogeneidad espacial y temporal. Para eliminar la redundancia temporal, se utiliza un sistema predictivo basado en la información de movimiento tanto para la partición como para la textura. El sistema permite seguir la evolución temporal de cada región a lo largo de la secuencia. Los resultados de la codificación son óptimos (o casi-óptimos) para el marco dado en un sentido de 'rate-distortion'. El proceso de codificación incluye encontrar una partición óptima y también encontrar la técnica de codificación y nivel de calidad más adecuados para cada región.Más adelante se investiga el problema de la codificación de vídeo en sistemas con escalabilidad y que suporten funcionalidades basadas en el contenido. El problema se generaliza incluyendo en el esquema de codificación las dependencias espaciales y temporales entre los diferentes cuadros o entre las diferentes capas de escalabilidad. En este caso, la solución requiere encontrar la partición óptima y las técnicas de codificación de textura óptimas tanto para la capa base como para la capa de mejora. A causa de les dependencias que hay entre estas capas, la partición y el conjunto de técnicas de codificación para la capa de mejora dependerán de las decisiones tomadas en la capa base. Dado que este tipo de soluciones generalmente son muy costosas computacionalmente, también se propone una solución que no tiene en cuenta estas dependencias.Los algoritmos obtenido se usan en la extensión de SESAME. El sistema de codificación extendido, llamado XSESAME soporta diferentes tipos de escalabilidad (PSNR, espacial y temporal) así como funcionalidades basadas en el contenido y la posibilidad de seguimiento de objetos a través de la secuencia de vídeo. El sistema de codificación permite utilizar dos modos diferentes por lo que hace referencia a la selección de les regiones de la partición de la capa de mejora: El primer modo (supervisado) está pensado para utilizar funcionalidades basadas en el contenido. El segundo modo (no supervisado) no soporta funcionalidades basadas en el contenido y su objetivo es simplemente obtener una codificación óptima en la capa de mejora.Otro tema investigado es la integración de un método de seguimiento de objetos en el sistema de codificación.En el caso general, el seguimiento de objetos en secuencias de vídeo es un problema muy complejo. Si este seguimiento se quiere integrar en un sistema de codificación aparecen problemas adicionales debido a que los requisitos necesarios para obtener eficiencia en la codificación pueden entrar en conflicto con los requisitos para obtener una buena precisión en el seguimiento de objetos. Esta aparente incompatibilidad se soluciona usando un enfoque basado en una doble partición de cada cuadro de la secuencia. La partición que se usa para codificar se resegmenta usando criterios puramente espaciales. Proyectando esta segunda partición se obtiene una mejor adaptación de los contornos al objeto a seguir. El exceso de regiones que implicaría esta resegmentación se elimina con una etapa de fusión de regiones realizada a posteriori.
This work addresses the problem of video compression with content-based functionalities in the framework of segmentation-based video coding systems. Two major problems are considered. The first one is related with coding optimality in segmentation-based coding systems. Regarding this subject, the feasibility of a rate-distortion approach for a complete region-based coding system is shown. The second one is how to address content-based functionalities in the coding system proposed as a solution of the first problem. Optimality, as defined in the framework of rate-distortion theory, deals with obtaining a representation of the video sequence that leads to a minimum distortion of the coded signal for a given bit budget. In the case of segmentation-based coding systems this means to obtain an 'optimal' partition together with the best coding technique for each region of this partition so that the result is optimal in an operational rate-distortion sense. The problem is formalized for independent, non-scalable coding.An algorithm to solve this problem is provided as well.This algorithms is applied to a specific segmentation-based coding system, the so called SESAME. In SESAME, each frame is segmented into a set of regions, that are coded independently. Segmentation involves both spatial and motion homogeneity criteria. To exploit temporal redundancy, a prediction for both the partition and the texture of the current frame is created by using motion information. The time evolution of each region is defined along the sequence (time tracking). The results are optimal (or near-optimal) for the given framework in a rate-distortion sense. The definition of the coding strategy involves a global optimization of the partition as well as of the coding technique/quality level for each region. Later, the investigation is also extended to the problem of video coding optimization in the framework of a scalable video coding system that can address content-based functionalities. The focus is set in the various types of content-based scalability and object tracking. The generality of the problem has also been extended by including the spatial and temporal dependencies between frames and scalability layers into the optimization schema. In this case the solution implies finding the optimal partition and set of quantizers for both the base and the enhancement layers. Due to the coding dependencies of the enhancement layer with respect to the base layer, the partition and the set of quantizers of the enhancement layer depend on the decisions made on the base layer. Also, a solution for the independent optimization problem (i.e. without tacking into account dependencies between different frames of scalability layers) has been proposed to reduce the computational complexity. These solutions are used to extend the SESAME coding system. The extended coding system, named XSESAME, supports different types of scalability (PSNR, Spatial and temporal) as well as content-based functionalities, such as content-based scalability and object tracking. Two different operating modes for region selection in the enhancement layer have been presented: One (supervised) aimed at providing content-based functionalities at the enhancement layer and the other (unsupervised) aimed at coding efficiency, without content-based functionalities. Integration of object tracking into the segmentation-based coding system is also investigated.In the general case, tracking is a very complex problem. If this capability has to be integrated into a coding system, additional problems arise due to conflicting requirements between coding efficiency and tracking accuracy. This is solved by using a double partition approach, where pure spatial criteria are used to re-segment the partition used for coding. The projection of the re-segmented partition results in more precise adaptation to object contours. A merging step is performed a posteriori to eliminate the excess of regions originated by the re-segmentation.

En aquest treball s'estudia el problema de la compressió de video utilitzant funcionalitats basades en el contingut en el marc teòric dels sistemes de codificació de seqüències de video basats en regions. Es tracten bàsicament dos problemes: El primer està relacionat amb com es pot aconseguir una codificació òptima en sistemes de codificació de video basats en regions. En concret, es mostra com es pot utilitzar un metodologia de 'rate-distortion' en aquest tipus de problemes. El segon problema que es tracta és com introduir funcionalitats basades en el contingut en un d'aquests sistemes de codificació de video.
La teoria de 'rate-distortion' defineix l'optimalitat en la codificació com la representació d'un senyal que, per una taxa de bits donada, resulta en una distorsió mínima al reconstruir el senyal. En el cas de sistemes de codificació basats en regions, això implica obtenir una partició òptima i al mateix temps, un repartiment òptim dels bits entre les diferents regions d'aquesta partició. Aquest problema es formalitza per sistemes de codificació no escalables i es proposa un algorisme per solucionar-lo. Aquest algorisme s'aplica a un sistema de codificació concret anomenat SESAME. En el SESAME, cada quadre de la seqüència de video es segmenta en un conjunt de regions que es codifiquen de forma independent. La segmentació es fa seguint criteris d'homogeneitat espaial i temporal. Per eliminar la redundància temporal, s'utilitza un sistema predictiu basat en la informació de moviment tant per la partició com per la textura. El sistema permet seguir l'evolució temporal de cada regió per tota la seqüència. Els resultats de la codificació són òptims (o quasi-òptims) pel marc donat en un sentit de 'rate-distortion'. El procés de codificació inclou trobar una partició òptima i també trobar la tècnica de codificació i nivell de qualitat més adient per cada regió.
Més endavant s'investiga el problema de codificació de video en sistemes amb escalabilitat i que suporten funcionalitats basades en el contingut. El problema es generalitza incloent en l'esquema de codificació les dependències espaials i temporals entre els diferents quadres o entre les diferents capes d'escalabilitat. En aquest cas, la solució requereix trobar la partició òptima i les tècniques de codificació de textura òptimes tant per la capa base com per la capa de millora. A causa de les dependències que hi ha entre aquestes capes, la partició i el conjunt de tècniques de codificació per la capa de millora dependran de les decisions preses en la capa base. Donat que aquest tipus de solucions generalment són molt costoses computacionalment, també es proposa una solució que no té en compte aquestes dependències.
Els algorismes obtinguts s'apliquen per extendre SESAME. El sistema de codificació extès, anomenat XSESAME suporta diferents tipus d'escalabilitat (PSNR, espaial i temporal) així com funcionalitats basades en el contingut i la possibilitat de seguiment d'objectes a través de la seqüència de video. El sistema de codificació permet utilitzar dos modes diferents pel que fa a la selecció de les regions de la partició de la capa de millora: El primer mode (supervisat) està pensat per utilitzar funcionalitats basades en el contingut. El segon mode (no supervisat) no suporta funcionalitats basades en el contingut i el seu objectiu és simplement obtenir una codificació òptima a la capa de millora.
Un altre tema que s'ha investigat és la integració d'un mètode de seguiment d'objectes en el sistema de codificació. En el cas general, el seguiment d'objectes en seqüències de video és un problema molt complex. Si a més aquest seguiment es vol integrar en un sistema de codificació apareixen problemes addicionals degut a que els requisits necessaris per obtenir eficiència en la codificació poden entrar en conflicte amb els requisits per una bona precisió en el seguiment d'objectes. Aquesta aparent incompatibilitat es soluciona utilitzant un enfocament basat en una doble partició de cada quadre de la seqüència. La partició que s'utilitza per la codificació es resegmenta utilitzant criteris purament espaials. Al projectar aquesta segona partició permet una millor adaptació dels contorns de l'objecte a seguir. L'excés de regions que implicaria aquesta re-segmentació s'elimina amb una etapa de fusió de regions realitzada a posteriori.
En este trabajo se estudia el problema de la compresión de vídeo utilizando funcionalidades basadas en el contenido en el marco teórico de los sistemas de codificación de secuencias de vídeo basados en regiones. Se tratan básicamente dos problemas: El primero está relacionado con la obtención de una codificación óptima en sistemas de codificación de vídeo basados en regiones. En concreto, se muestra como se puede utilizar un metodología de 'rate-distortion' para este tipo de problemas. El segundo problema tratado es como introducir funcionalidades basadas en el contenido en uno de estos sistemas de codificación de vídeo.
La teoría de 'rate-distortion' define la optimalidad en la codificación como la representación de una señal que, para un tasa de bits dada, resulta en una distorsión mínima al reconstruir la señal. En el caso de sistemas de codificación basados en regiones, esto implica obtener una partición óptima y al mismo tiempo, un reparto óptimo de los bits entre las diferentes regiones de esta partición. Este problema se formaliza para sistemas de codificación no escalables y se propone un algoritmo para solucionar este problema. Este algoritmo se aplica a un sistema de codificación concreto llamado SESAME. En SESAME, cada cuadro de la secuencia de vídeo se segmenta en un conjunto de regiones que se codifican de forma independiente. La segmentación se hace siguiendo criterios de homogeneidad espacial y temporal. Para eliminar la redundancia temporal, se utiliza un sistema predictivo basado en la información de movimiento tanto para la partición como para la textura. El sistema permite seguir la evolución temporal de cada región a lo largo de la secuencia. Los resultados de la codificación son óptimos (o casi-óptimos) para el marco dado en un sentido de 'rate-distortion'. El proceso de codificación incluye encontrar una partición óptima y también encontrar la técnica de codificación y nivel de calidad más adecuados para cada región.
Más adelante se investiga el problema de la codificación de vídeo en sistemas con escalabilidad y que suporten funcionalidades basadas en el contenido. El problema se generaliza incluyendo en el esquema de codificación las dependencias espaciales y temporales entre los diferentes cuadros o entre las diferentes capas de escalabilidad. En este caso, la solución requiere encontrar la partición óptima y las técnicas de codificación de textura óptimas tanto para la capa base como para la capa de mejora. A causa de les dependencias que hay entre estas capas, la partición y el conjunto de técnicas de codificación para la capa de mejora dependerán de las decisiones tomadas en la capa base. Dado que este tipo de soluciones generalmente son muy costosas computacionalmente, también se propone una solución que no tiene en cuenta estas dependencias.
Los algoritmos obtenido se usan en la extensión de SESAME. El sistema de codificación extendido, llamado XSESAME soporta diferentes tipos de escalabilidad (PSNR, espacial y temporal) así como funcionalidades basadas en el contenido y la posibilidad de seguimiento de objetos a través de la secuencia de vídeo. El sistema de codificación permite utilizar dos modos diferentes por lo que hace referencia a la selección de les regiones de la partición de la capa de mejora:
El primer modo (supervisado) está pensado para utilizar funcionalidades basadas en el contenido. El segundo modo (no supervisado) no soporta funcionalidades basadas en el contenido y su objetivo es simplemente obtener una codificación óptima en la capa de mejora.
Otro tema investigado es la integración de un método de seguimiento de objetos en el sistema de codificación.
En el caso general, el seguimiento de objetos en secuencias de vídeo es un problema muy complejo. Si este seguimiento se quiere integrar en un sistema de codificación aparecen problemas adicionales debido a que los requisitos necesarios para obtener eficiencia en la codificación
pueden entrar en conflicto con los requisitos para obtener una buena precisión en el seguimiento de objetos. Esta aparente incompatibilidad se soluciona usando un enfoque basado en una doble partición de cada cuadro de la secuencia. La partición que se usa para codificar se resegmenta usando criterios puramente espaciales. Proyectando esta segunda partición se obtiene una mejor adaptación de los contornos al objeto a seguir. El exceso de regiones que implicaría esta resegmentación se elimina con una etapa de fusión de regiones realizada a posteriori.
This work addresses the problem of video compression with content-based functionalities in the framework of segmentation-based video coding systems. Two major problems are considered. The first one is related with coding optimality in segmentation-based coding systems. Regarding this subject, the feasibility of a rate-distortion approach for a complete region-based coding system is shown. The second one is how to address content-based functionalities in the coding system proposed as a solution of the first problem.
Optimality, as defined in the framework of rate-distortion theory, deals with obtaining a representation of the video sequence that leads to a minimum distortion of the coded signal for a given bit budget. In the case of segmentation-based coding systems this means to obtain an 'optimal' partition together with the best coding technique for each region of this partition so that the result is optimal in an operational rate-distortion sense. The problem is formalized for independent, non-scalable coding.
An algorithm to solve this problem is provided as well.
This algorithms is applied to a specific segmentation-based coding system, the so called SESAME. In SESAME, each frame is segmented into a set of regions, that are coded independently. Segmentation involves both spatial and motion homogeneity criteria. To exploit temporal redundancy, a prediction for both the partition and the texture of the current frame is created by using motion information. The time evolution of each region is defined along the sequence (time tracking). The results are optimal (or near-optimal) for the given framework in a rate-distortion sense. The definition of the coding strategy involves a global optimization of the partition as well as of the coding technique/quality level for each region.
Later, the investigation is also extended to the problem of video coding optimization in the framework of a scalable video coding system that can address content-based functionalities. The focus is set in the various types of content-based scalability and object tracking. The generality of the problem has also been extended by including the spatial and temporal dependencies between frames and scalability layers into the optimization schema. In this case the solution implies finding the optimal partition and set of quantizers for both the base and the enhancement layers. Due to the coding dependencies of the enhancement layer with respect to the base layer, the partition and the set of quantizers of the enhancement layer depend on the decisions made on the base layer. Also, a solution for the independent optimization problem (i.e. without tacking into account dependencies between different frames of scalability layers) has been proposed to reduce the computational complexity.
These solutions are used to extend the SESAME coding system. The extended coding system, named XSESAME, supports different types of scalability (PSNR, Spatial and temporal) as well as content-based functionalities, such as content-based scalability and object tracking.
Two different operating modes for region selection in the enhancement layer have been presented: One (supervised) aimed at providing content-based functionalities at the enhancement layer and the other (unsupervised) aimed at coding efficiency, without content-based functionalities.
Integration of object tracking into the segmentation-based coding system is also investigated.
In the general case, tracking is a very complex problem. If this capability has to be integrated into a coding system, additional problems arise due to conflicting requirements between coding efficiency and tracking accuracy. This is solved by using a double partition approach, where pure spatial criteria are used to re-segment the partition used for coding. The projection of the re-segmented partition results in more precise adaptation to object contours. A merging step is performed a posteriori to eliminate the excess of regions originated by the re-segmentation.

It has been recognized that the evaporation process is one of the pivotal mechanisms driving thermo-acoustic instability in gas turbines and rockets in particular. In this regard, this study is principally focused on studying the evaporation process relevant to thermo-acoustic instability from three complementary viewpoints in an effort to contribute to an overall instability model driven primarily by evaporation in gas turbine combustors. Firstly, a state of the art LES algorithm is employed to validate an evaporation model to be employed in predictive modelling regarding combustion instabilities. Good agreement between the numerical predictions and experimental data is achieved. Additionally, transient sub-critical droplet evaporation is investigated numerically. In particular, a numerical method is proposed to capture the extremely important pressure-velocity-density coupling. Furthermore, the dynamic system nonlinear behaviour encountered in classical thermo-acoustic instability is investigated. The Poincaré map is adopted to analyse the stability of a simple non-autonomous system considering a harmonic oscillation behaviour for the combustion environment. The bifurcation diagram of a one-mode model is obtained where the analysis reveals a variety of chaotic behaviours for some select ranges of the bifurcation parameter. The bifurcation parameter and the corresponding period of a two-mode dynamic model are calculated using both analytical and numerical methods. The results computed by different methods are in good agreement. In addition, the dependence of the bifurcation parameter and the period on all the relevant coefficients in the model is investigated in depth. Moreover, a discrete dynamic model accounting for both combustion and vaporization processes is developed. In terms of different bifurcation parameters relevant to either combustion or evaporation, various bifurcation diagrams are presented. As part of the nonlinear characterization, the governing process Lyapunov exponent is calculated and employed to analyze the stability of the particular dynamic system. The study has shown conclusively that the evaporation process has a significant impact on the intensity and nonlinear behaviour of the system of interest, vis-à-vis a model accounting for only the gaseous combustion process. Furthermore, two particular nonlinear control methodologies are adopted to control the chaotic behaviour displayed by the particular aperiodic motions observed. These algorithms are intended to be implemented for control of combustion instability numerically and experimentally to provide a rational basis for some of the control methodologies employed in the literature. Finally, a state of the art neural network is employed to identify and predict the nonlinear behaviour inherent in combustion instability, and control the ensuing pressure oscillations. Essentially, the NARMAX model is implemented to capture nonlinear dynamics relating the input and output of the system of interest. The simulated results accord with the results reported. Moreover, a control system using the NARMA-L2 algorithm is developed. The simulation conclusively points to the fact that the amplitude of pressure oscillations can be attenuated to an acceptable level and the controller proposed may be implemented in a practical manner.

Dans le domaine de l'automobile, le nombre de fonctions émergentes augmente sans cesse dans le but d'offrir une large gamme de confort et qualité de service au conducteur. La plupart de ces fonctions électroniques sont modulaires et réparties sur plusieurs composants du véhicule. La complexité de telles fonctions telles que le "X-By-Wire" ainsi que l'interdépendance entre ces fonctions rendent l'intégration et la validation de ces systèmes assez complexe. Face à ces problématiques, le consortium AUTOSAR (Automotive Open System ARchitecture) a été créé par les principaux acteurs mondiaux de l'automobile. Cette initiative vise la mise en place d'un standard ouvert pour l'architecture embarquée de l'automobile. La méthodologie proposée par AUTOSAR ainsi que les outils de développement existants ne permettent pas de guider le concepteur d'application à établir l'architecture adéquate et optimale du système. L'objectif de ces travaux de thèse est d'établir une méthodologie d'analyse et d'exploration à base des modèles afin de valider et optimiser les performances d'un système embarqué dans le but de guider le concepteur système. L'approche consiste en premier temps à valider analytiquement les performances temps-réel d'un système AUTOSAR. En second temps, nous proposons une nouvelle méthode d'exploration multi-objectives de l'espace de conceptions des architectures. La méthode d'optimisation repose sur un algorithme évolutionnaire multi-objectives. Nous proposons dans la suite l'exploration de trois espace de recherche identifiés durant le processus de développement AUTOSAR : (1) le placement des composants logiciel sur les calculateurs, (2) la configuration des tâches systèmes et (3) le placement des runnables (entités logicielles) sur les tâches. Aussi, la flexibilité et l'adaptabilité de la méthode d'exploration proposée permettent son application sur des systèmes conçus avec d'autres langages de modélisation tels que SysML et MARTE. Ainsi, nous proposons une méthode d'exploration et d'analyse plus générique. Cette méthode est basée sur un méta-modèle intermédiaire définis, et qui permettra une translation automatique entre le modèle d'entrée du système et les outils d'analyse et d'exploration
Today, the design and development of automotive software system becomes very complex. This complexity is due to the high number of functions, execution codes and diversity of communication bus embedded in the vehicle. Also, the heterogeneity of the architecture makes the design of such system more difficult and time consuming. The introduction of Model-Based Development (MBD) in the automotive field promised to improve the development process by allowing continuity between requirements definition, system design and the distributed system implementation. In the same direction, the apparition of AUTOSAR consortium standardized the design of such automotive embedded system by allowing the portability of software functions on the hardware architecture and their reuse. It defines a set of rules and interfaces to design, interconnect, deploy and configure a set of application software components (SWCs). However, designing an embedded system according to AUTOSAR standard necessitates the configuration of hundreds of parameters and requires several software allocation decisions. Each decision may influence the system performance and also the development cost. This architectural complexity leads to a large design decision space which is difficult to be explored without using an analytical method or a design tool. We introduce in this thesis a methodology that permits to assist and help the system designer to configure an AUTOSAR-compliant system. This is based on the Design Space Exploration (DSE) framework that permits to evaluate and analyze several design alternatives in order to identify the optimal solutions. The DSE task relies on a multi-objectives evolutionary algorithm. The DSE could be performed for two purposes : (1) the mapping of SWCs to ECUs and the mapping of runnables (code entities) to OS tasks, (2) the configuration of the software parameters like OS tasks priorities and types. The flexibility and scalability of the DSE framework allows applying it to other description and modeling languages such as SysML/MARTE

La propulsion électrique est à un tournant de son histoire. La récente mise en oeuvre de satellites de télécommunication "tout-électrique" se traduit par l’ouverture d’un nouveau marché, et par une évolution des besoins opérationnels. L’identification de ces nouvelles missions nécessite l’amélioration des performances de nos moteurs. La première partie de ces travaux rapporte l’utilisation d’un outil de spectroscopie laser destiné à caractériser la distribution en vitesse des ions. Les différentes méthodes de calcul du champ électrique dans les propulseurs de Hall ont été exposées. Deux instabilités ioniques ont été observées et analysées. Les sources d’erreurs liées aux mesures par sondes électrostatiques ont été analysées, et un exemple de sonde plane étudié. Une analyse paramétrique de l’influence des paramètres de champ magnétique sur les performances des propulseurs de Hall a été conduite. Le concept de moteur "sans parois" est présenté. L’identification de ce concept constitue une avancée porteuse de promesses pour l’avenir de la propulsion électrique
Electric propulsion is facing new challenges. Recently, the launch of "all-electric" satellites has marked the debut of a new era. Going all-electric now appears as an interesting alternative to conventional systems for telecom operators. A laser spectroscopy technique was used during this research to investigate the ion velocity distribution dynamics. The different methods for determining the electric field in Hall thrusters were exposed. Two unstable ion regimes were identified and examined. Measurement uncertainties using electrostatic probes were assessed. Planar probed have been designed and tested. A thorough investigation of the influence of the magnetic field parameters on the performance of Hall thrusters was performed. The wall-less Hall thruster design was presented, and preliminary experiments have revealed its interest for the electric propulsion community

Le contenu de cette thèse est divisé en deux parties. La première partie de cette thèse porte sur l'étude d'approches heuristiques pour approximer des fronts de Pareto. Nous proposons un nouvel algorithme de recherche locale pour résoudre des problèmes d'optimisation combinatoire. Cette technique est intégrée dans un modèle opérationnel générique où l'algorithme évolue vers de nouvelles solutions formées en combinant des solutions trouvées dans les étapes précédentes. Cette méthode améliore les algorithmes de recherche locale existants pour résoudre le problème d'assignation quadratique bi- et tri-objectifs.La seconde partie se focalise sur les algorithmes d'ordonnancement dans un contexte non-préemptif. Plus précisément, nous étudions le problème de la minimisation du stretch maximum sur une seule machine pour une exécution online. Nous présentons des résultats positifs et négatifs, puis nous donnons une solution optimale semi-online. Nous étudions ensuite le problème de minimisation du stretch sur une seule machinedans le modèle récent de la réjection. Nous montrons qu'il existe un rapport d'approximation en O(1) pour minimiser le stretch moyen. Nous montrons également qu'il existe un résultat identique pour la minimisation du flot moyen sur une machine. Enfin, nous étudions le problème de la minimisation du somme des flots pondérés dans un contexte online
The content of this thesis is divided into two parts. The first part of the thesis deals with the study of heuristic based approaches for the approximation Pareto fronts. We propose a new Double Archive Pareto local search algorithm for solving multi-objective combinatorial optimization problems. We embed our technique into a genetic framework where our algorithm restarts with the set of new solutions formed by recombination and mutation of solutions found in the previous run. This method improves upon the existing Pareto local search algorithm for bi-objective and tri-objective quadratic assignment problem.In the second part of the thesis, we focus on non-preemptive scheduling algorithms. Here, we study the online problem of minimizing maximum stretch on a single machine. We present both positive and negative theoretical results. Then, we provide an optimally competitive semi-online algorithm. Furthermore, we study the problem of minimizing stretch on a single machine in a recently proposed rejection model. We show that there exists an O(1)-approximation ratio for minimizing average stretch. We also show that there exists an O(1)-approximation ratio for minimizing average flow time on a single machine. Lastly, we study the weighted average flow time minimization problem in online settings. We present a mathematical programming based framework that unifies multiple resource augmentation. Using the concept of duality, we show that there exists an O(1)-competitive algorithm for solving the weighted average flow time problem on unrelated machines. Furthermore, we proposed that this idea can be extended to minimizing l_k norms of weighted flow problem on unrelated machines

The objective of this thesis is to study the evolution of scalar field carried by a flow from a temporal image sequence. The estimation of the velocity field of turbulent flow is of major importance for understanding the physical phenomenon. Up to now the problem of turbulence is generally ignored in the flow equation of existing methods. An information given by image is discrete at pixel size. Depending on the turbulent rate of the flow, pixel and time resolutions may become too large to neglect the effect of sub-pixel small-scales on the pixel velocity field. For this, we propose a flow equation defined by a filtered concentration transport equation where a classic turbulent sub-grid eddy viscosity model is introduced in order to account for this effect. To formulate the problem, we use a Markovian approach. An unwarping multiresolution by pyramidal decomposition is proposed which reduces the number of operations on images. The optimization coupled with a multigrid approach allows to estimate the optimal 2D real velocity field. Our approach is tested on synthetic andreal image sequences (PIV laboratory experiment and remote sensing data of dust storm event) with high Reynolds number. Comparisons with existing approaches are very promising.

The work performed in this thesis explores new ways of reducing the drag of ground vehicles. Specifically, the effect of plasma actuators are investigated numerically with the intention to delay separation around a half-cylinder, a geometry chosen to represent a simplified A-pillar of a truck. The plasma actuators have to be included in turbulent flow simulations. Therefore, emphasis is first put on finding a numerical model that can reproduce the effect of the plasma without increasing the computational cost. This effect is modeled through a body force term added to the Navier-Stokes equations. To determine the strength and spatial extent of this body force, optimization was performed to minimize the difference between experimental and simulated profiles of plasma induced velocity.  The plasma actuator model is thereafter used in Large Eddy Simulations (LES) of the flow around a half-cylinder at Reynolds number Re=65*10^3 and Re=32*10^3. Two types of actuation cases are performed. In the first case, a single actuator is used. In the second case, a pair of consecutive actuators are used, and their position on the half-cylinder is changed. It is found that a drag reduction of up to 10% is achievable. Moreover, the ideal location for actuation is determined to be near the separation point of the non-actuated flow.  Finally, dynamic mode decomposition (DMD) is investigated as a tool to extract coherent dynamic structures from a turbulent flow field. The DMD is first used to analyze a channel flow where pulsations are imposed at a known frequency. It is found that DMD gives similar results to phase averaging done at the oscillation frequency. However, the presence of turbulence noise hinders the ability to identify modes at higher harmonics. The DMD is also used to post-process the half-cylinder flow case. There, it is found that the spectrum of the wake is broadband. Nevertheless, modes within distinct frequency ranges are found to be located in distinct spatial regions.
Arbetet som utförts i denna avhandling undersöker nya sätt att minska luftmotstånd hos markfordon. Speciellt undersöks numeriskt effekten av plasmaaktuatorer med avsikten att uppnå fördröjd separation av strömningen kring en halvcylinder, en geometri vald för att representera en förenklad A-stolpe på en lastbil.  För att kunna utföra studien behöver plasmaaktuatorer kunna ingå i beräkningar av turbulenta strömningsfält. Därför undersöks först sätt för att hitta en numerisk modell som kan reproducera effekten av plasma utan att öka beräkningskostnad. Plasmaaktuatorn  modelleras i detta arbete genom att ett källterm adderas till Navier-Stokes ekvationer. För att bestämma styrkan och den rumsliga utbredningen hos källtermen, utförs en optimering för att minimera skillnaden mellan experimentella och simulerade profiler av plasma inducerad strömningshastighet.  Plasmaaktuatormodellen används därefter i Large Eddy Simulations (LES) för att beräkna strömningen kring en halvcylinder med Reynolds tal Re=65*10^3 och Re=32*10^3. Två typer av fall studeras. I det första fallet används en enda aktuator. I det andra fallet, är ett par på varandra följande aktuatorer placerade, där aktuatorernas position på halvcylinder ändras. Resultaten visar att en luftmotståndsminskning på upp till 10% kan erhållas. Den idealiska platsen för aktuatorn bedöms vara nära den punkt där strömningen utan aktuator separerar. Slutligen undersöks Dynamic Mode Decomposition (DMD) som ett verktyg för att extrahera koherenta dynamiska strukturer i en turbulent strömning. DMD används först för att analysera pulserande kanalströmning där pulsationen har en känd frekvens. Resultaten visar att DMD ger liknande resultat som då fas-medelvärdesbildning görs vid oscillationsfrekvensen. Förekomsten av turbulens buller hindrar dock möjligheten att identifiera moder vid högre övertoner. DMD används också för att analysera strömningen kring halv-cylindern. I avhandlingen visas att spektrat i vaken är bredbandigt men att även moder inom distinkta frekvensintervall fanns vara belägna i avgränsade områden i vaken.

QC 20170117

Ce travail de thèse, réalisé au sein du CEA-LETI, consiste en la décorrélation des différents mécanismes ayant lieu dans une LED à base de GaN par voie de simulation numérique et de caractérisation expérimentale. Dans les chapitres 1 et 2, les théories des différents mécanismes présents dans une diode/LED sont décrites. Dans le chapitre 3, la simulation numérique d’une structure LED VTF ("vertical thin film" en langue anglaise) détermine les mécanismes prédominants dans les différentes gammes de tension. Une étude paramétrique s’ensuit afin d’évaluer les interactions entre les mécanismes.Dans le chapitre 4, les simulations sont effectuées en ajoutant un modèle de dépendance des mobilités des porteurs au champ électrique. En présence de ce modèle, les caractéristiques électro-optiques simulées tendent vers les caractéristiques réelles à haute tension.Les résultats des mesures de vitesse des porteurs dans le GaN-p sont également reportés dans le chapitre 4. En utilisant un motif d’échantillon spécifique et la méthode de mesure quatre points, les résultats suggèrent une tendance à saturer de la vitesse des porteurs, ou une tendance à décroître de la mobilité, à fort champ électrique. Ces résultats renforcent l’hypothèse de simulation utilisée dans le chapitre 4.Les simulations présentées dans les chapitres 3 et 4 permettent de proposer un schéma équivalent d’une LED en décorrélant les différents mécanismes et en ne gardant que les mécanismes dominants. Ce schéma équivalent permettrait, par exemple, à identifier les différents régimes dans une caractéristique électrique d’une LED réelle afin de procéder des améliorations du fonctionnement de la LED.Le chapitre 5 présente une étude par électroluminescence pulsée, une méthode de caractérisation fréquentielle, sur des LED commerciales. L’étude des temps de montée et de descente des signaux électro-optiques, ainsi que l’étude de durée de vie différentielle des porteurs de charge dans une LED, fourniraient des informations supplémentaires concernant l’injection des porteurs dans la LED
This PhD. works, which was carried out inside CEA-LETI, aims to dissociate the various mechanisms occurring inside a GaN-based LED employing numerical simulation and experimental characterization. In the chapters 1 and 2, various mechanisms occurring inside a diode/LED are theoretically described. In chapter 3, through numerical simulation, the dominant mechanisms as well as their locations in a VTF ("vertical thin film") LED structure are determined for different voltage ranges. A parametric study follows to assess the interactions between the mechanisms.In chapter 4, the simulations are carried out with an additional field-dependent model for charge carrier mobility. With this model enabled, the simulated LED-electrical-and-optical characteristics approximate the real LED characteristics.Carrier-velocity characterization on p-type GaN, using a specific sample structure and the resistivity method, is also shown in chapter 4. It can be inferred from the results that under strong electric-fields, the carrier velocity might saturate, or the carrier mobility might decrease. These results strengthen the hypothesis used for the simulations in this chapter 4.The simulations introduced in the chapters 3 and 4 allow the proposition of an equivalent circuit for a GaN-based LED by dissociating the different mechanisms and retaining the dominant ones. This equivalent circuit could help, for instance, identify the different regimes in a real-LED electrical characteristics in order to improve the LED’s performance.Chapter 5 introduces pulsed electroluminescence, a frequential characterization method, on commercial LEDs. The studies of rise-time and fall-time of electro-optical signals, and the study of the differential lifetime of charge carriers in an LED would provide supplementary information concerning the carrier injection into the LED

This thesis is motivated by the application of active flow control on the cabin of trucks, thereby providing a new means of drag reduction. Particularly, the work presented strives to identify how plasma actuators can be used to reduce the drag caused by the detachment of the flow around the A-pillars. This is achieved by conducting numerical simulations, and is part of a larger project that also includes experimental. The effect of plasma actuators is modeled through a body force, which adds very little computational cost and is suitable for implementation in most CFD solvers. The spatial distribution of this force is described by coefficients which have been optimized against experimental data, and the model was shown to be able to accurately reproduce the wall jet created by a single plasma actuator in a no-flow condition. A half cylinder geometry - a simplified geometry for the A-pillar of a truck - was used in a preliminary Large Eddy Simulation (LES) study that showed that the actuator alone, operated continuously, was not sufficient to achieve a significant reduction of the drag. Nevertheless, a significant drag reduction was obtained by simply increasing the strength of the body force to a higher value, showing that this type of actuation remains relevant for the reduction of drag. In the course of finding ways to improve the efficiency of the actuator, dynamic mode decomposition was investigated as a post-processing tool to extract structures in the flow. Such structures are identified by their spatial location and frequency, and might help to understand how the actuator should be used to maximize drag reduction. Thus a parallel code for dynamic mode decomposition was developed in order to facilitate the treatment of the large amounts of data obtained by LES. This code and LES itself were thereafter evaluated in the case of a pulsating channel flow. By using the dynamic mode decomposition it was possible to accurately extract oscillating profiles at the forcing frequency, although harmonics with lower amplitude compared to the turbulence intensity could not be obtained.
Denna avhandling behandlar tillämpningen av aktiv strömningskontroll för lastbilshytter, vilket är en ny metod för minskning av luftmotståndet. Mer i detalj är det övergripande målet att visa på hur plasmaaktuatorer kan användas för att minska luftmotståndet orsakat av avlösningen runt A-stolparna. In denna avhandling studeras detta genom numeriska simuleringar. Arbetet är en del av ett projekt där även experimentella försök görs. Effekten av plasmaaktuatorer modelleras genom en masskraft, vilket inte ger nämnvärd ökning av beräkningstiden och är lämplig för implementering i de flesta CFD-lösare. Den rumsliga fördelningen av kraften bestäms av koefficienter vilka i detta arbete beräknades utifrån experimentella data. Modellen har visat sig kunna återskapa en stråle nära väggen med god noggrannhet av en enskild plasmaaktuator för en halvcylinder utan strömning. Samma geometri - en halvcylinder som här används som förenklad geometri av A-stolpen på en lastbil - användes i en preliminär LES studie som visade att enbart aktuatorn vid kontinuerlig drift inte var tillräckligt för att uppnå en signifikant minskning av luftmotståndet. En signifikant minskning av luftmotståndet erhölls genom att helt enkelt öka styrkan på kraften, vilket visats att denna typ av strömningskontroll är relevant för minskning av luftmotståndet. I syfte att förbättra effektiviteten hos aktuatorn, studerades dynamic mode decomposition, som ett verktyg för efterbehandling för att få fram flödesstrukturer. Dessa strukturer identifieras genom deras rumsupplösning och frekvens och kan hjälpa till att förstå hur aktuatorerna bör användas för att minska luftmotståndet. En parallelliserad kod för dynamic mode decomposition utvecklades för att underlätta efterbehandlingen av de stora datamängder som fås från LES-beräkningarna. Slutligen, utvärderades denna kod och LES-beräkningar på ett strömningsfall med pulserande kanalflöde. Metoden, dynamic mode decomposition, visade sig kunna extrahera de oscillerande flödesprofilerna med hög noggrannhet för den påtvingade frekvensen. Övertoner med lägre amplitud jämfört med turbulensintensiteten kunde dock inte erhållas.

QC 20150312

Cette thèse porte sur l’optimisation d’opérations dans un terminal maritime pétrolier en vue d’assister les opérateurs de supervision. L’objectif est de fournir des solutions candidates pour la sélection d’alignements (chemins) de pipelines et pour l’ordonnancement d’opérations de transfert de pétrole et de maintenance de vannes. La principale difficulté de ce travail est la gestion d’un réseau à ressources limitées et conflictuelles. La prise de décision doit être réalisée en fonction des disponibilités des dispositifs, de la capacité opérative du réseau, d’aspects financiers (pénalités) liés au service, et d’activités de maintenance planifiées au préalable. L’optimisation est abordée par des approches tropicales du fait que ces techniques appréhendent de manière concise et intuitive les phénomènes de synchronisation. Les propositions développées ici commencent par des modèles d’optimisation algébriques mono-objectif et se complexifient, lors de l’intégration de nouvelles variabilités, jusqu’à la proposition de modèles d’optimisation multi-objectif hybrides par approches d’intelligence artificielle et algébriques. Dans un premier temps, un modèle d’optimisation mono-objectif non linéaire est proposé en algèbre (max,+) pour minimiser les pénalités, intégrant des phénomènes de nature différente dans une contrainte générique unique. Dans un deuxième temps, la linéarisation est résolue par une priorisation des opérations en conflit. Dans ce contexte, deux critères de linéarisation sont considérés : le premier concernant les pénalités potentielles pour les clients, et le deuxième concernant la criticité des opérations. Le modèle (max,+) non linéaire minimisant les pénalités est étendu pour la prise en compte de la recherche d’alignements et de la minimisation des retards des opérations de maintenance. Pour appréhender la dimension multi-objectif, une approche hybride d’algorithmes génétiques et des systèmes (max,+) linéaires est ensuite discutée. Enfin, dans un cadre plus formel, un nouveau produit synchrone exploitant les phénomènes de parallélisme au plus tôt est défini pour des automates tropicaux pour minimiser le makespan. Les propositions sont validées par des données industrielles recueillies auprès de l’entreprise pétrolière PDVSA et du fournisseur de solutions de supervision Thales Group. Les principales contributions à la recherche relèvent de la considération des approches tropicales dans la résolution de la problématique d’optimisation conduisant à des modèles concis et potentiellement linéaires, la proposition d’une approche hybride d’algorithmes génétiques et systèmes (max,+) linéaires exploitant les avantages de recherche distribuée des approches de l’intelligence artificielle avec les modèles concis issus de l’algèbre (max,+), et de la définition d’un nouveau produit synchrone d’automates tropicaux par une exploitation des phénomènes de parallélisme pour un comportement au plus tôt
This thesis addresses operations optimization in an oil seaport with the fundamental purpose of assisting supervision operators. The objective is to provide candidate solutions for pipeline alignment (path) selection and for scheduling of oil transfer operations, as well as maintenance operations, considering that the system has limited and conflicting resources. Informed decision making should consider operations scheduling and alignment selection based on : devices availability, operative capacity of the network, financial aspects (penalties) due to late service, and a predefined maintenance schedule. The optimization problem is addressed by tropical approaches given their potential for yielding concise and intuitive representations when modeling synchronization phenomena. The proposals developed herein start by algebraic mono-objective optimization models. They subsequently become more complex, as new aspects are included, leading to the formulation of hybrid multi-objective optimization models based on artificial intelligence approaches as well as (max,+)-linear system theory. Firstly, a mono-objective optimization model is proposed in (max,+) algebra for penalty minimization. This model integrates different nature phenomena into one single constraint. It is nonlinear, considers predefined alignments for transfer operations and is validated through an optimization solver (LINGO). Secondly, linearization of such model is introduced for prioritization of conflicting operations. Within this context, 2 criteria are addressed: potential penalties for clients and, on the other hand, operations criticality. The nonlinear (max,+) model minimizing penalties is extended in order to consider alignment search and delay minimization for maintenance operations. In order to address the multi-objective nature of the problem, an approach based on genetic algorithms and (max,+)-linear system theory is proposed. Finally, in a more formal framework, a new synchronous product for tropical automata exploiting parallelism phenomena at the earliest is defined in order to minimize the makespan. The proposed models and methods herein have been validated by industrial data gathered from the oil company PDVSA and from the supervision solutions provider Thales Group. The main contributions of this research are, firstly, the application of tropical approaches to this specific optimization problem, yielding concise and potentially linear models. Secondly, the proposal of a hybrid approach based on genetic algorithms and (max,+)-linear systems, which exploits the advantages of the distributed search of artificial intelligence approaches and the conciseness of the models stemming from (max,+) algebra. The final contribution focuses on the definition of the alphabet for a new synchronous product of tropical automata

L'assimilation de données consiste à calculer une estimation de l'état d'un système physique. Cette estimation doit alors combiner de façon optimale des observations entachées d'erreurs de mesure et des modèles numériques imparfaits permettant de simuler le système physique. En pratique, l'assimilation de données sert à estimer l’état initial d’un système dynamique. Cet état analysé peut ensuite être utilisé pour prévoir le comportement de ce système, notamment dans les systèmes géophysiques où les jeux de données sont conséquents.Une première approche repose sur une estimation de l’état initial basée sur le principe du maximum a posteriori. Il s’agit alors de résoudre un problème d’optimisation, souvent par des techniques utilisant le gradient des opérateurs. Cette approche, appelée 4DVar, nécessite le calcul de l’adjoint du modèle et de l'opérateur d'observation, ce qui est une tâche consommatrice en temps de développement des systèmes de prévision. Une seconde approche permettant de résoudre séquentiellement le problème d’assimilation est basée sur les techniques dites « d’ensemble ». Ici, des perturbations a priori de l'état du système permettent d’estimer des statistiques. Ces moments sont alors utilisés dans les formules de Kalman pour obtenir des approximations de l’état du système a posteriori.Ces deux approches ont été récemment combinées avec succès dans les méthodes de type EnVar aujourd'hui utilisées dans les systèmes opérationnels de prévision. Elles bénéficient donc d'une gestion efficace de la non linéarité au travers des méthodes d'optimisation variationnelle et permettent l'estimation de statistiques et de dérivées à l'aide des ensembles. L'IEnKS est un archétype de ces méthodes EnVar. Pour combiner les deux approches précédentes, il utilise une fenêtre d'assimilation qui est translatée entre chaque cycle. Différents paramétrages de la fenêtre d'assimilation conduisent à différentes stratégies d'assimilation non équivalentes lorsque la dynamique du système est non linéaire.En particulier, les longues fenêtres d'assimilation réduisent la fréquence de l'approximation Gaussienne des densités a priori. Il en résulte une amélioration des performances jusqu'à un certain point. Au delà, la complexité structurelle de la fonction de coût met l'analyse variationnelle en défaut. Une solution nommée “quasi statique variational assimilation” (QSVA) permet d'atténuer ces problèmes en ajoutant graduellement les observations à la fonction de coût du 4DVar. Le second chapitre de thèse généralise cette technique aux méthodes EnVar et s'intéresse plus précisément aux aspects théoriques et numériques du QSVA appliqués à l'IEnKS.Cependant, l’intérêt du QSVA repose sur la perfection du modèle pour simuler l'évolution de l'état. En effet, la pertinence d'une observation temporellement éloignée pour estimer l'état peut être remise en cause en présence d'erreur modèle. Le troisième chapitre est consacré à l'introduction d'erreur modèle au sein de l'IEnKS. Il y sera donc construit l'IEnKS-Q, une méthode 4D variationnelle d'ensemble résolvant séquentiellement le problème de lissage en présence d'erreur modèle. Malheureusement, en présence d'erreur modèle, une trajectoire n'est plus déterminée par son état initial. Le nombre de paramètres nécessaires à la caractérisation de ses statistiques augmente alors avec la longueur de la fenêtre d'assimilation. Lorsque ce nombre va de pair avec le nombre d'évaluations du modèle, les conséquences pour le temps de calcul sont catastrophiques. La solution proposée est alors de découpler ces quantités avec une décomposition des matrices d'anomalies. Dans ce cas, l'IEnKS-Q n'est pas plus coûteux que l'IEnKS en nombre d'évaluations du modèle
Data assimilation consists in the estimation of a physical system state. This estimation should optimally combine erroneous observations together with imperfect numerical simulations of this system. In practice, this estimation is the initial state of a dynamical system. It can be used to precisely predict the system evolution. Especially in geophysics where data sets are substantial.A first strategy is based on the maximum a posteriori estimation. Thus the estimation is solution of an optimization problem. This strategy called 4DVar often requires the computation of the model and observation operator adjoints. This operation is time consuming in the forecasting system development. A second strategy analyses the system state sequentially. It is based on “ensemble” techniques. Here, perturbations of the system state allow to estimate its statistics sequentially thanks to the Kalman equations.Both strategies was recently successfully combined in EnVar methods currently used in operating systems. They benefit from both: an efficient treatment of the operators nonlinearity through variational optimization techniques together with statistics and derivatives estimation through ensembles. The IEnKS is an archetype of such EnVar methods. It uses a data assimilation window (DAW) which is time shifted each cycle to combine both strategies. Various DAW parameterizations lead to non equivalent assimilations when the system dynamics are non linear.In particular, long DAWs reduce the frequency of the prior density Gaussian approximation. This results in a performance improvement but only to some extent. After, the cost function variational minimization fails because of its complex shape. A solution called “Quasi static variational assimilation” gradually adds observations to the cost function during multiple minimizations. The thesis second chapter generalizes the QSVA to EnVar methods. Theoretical and numerical aspects of the QSVA applied to the IEnKS are adressed.However, the QSVA relies on the absence of model error. Indeed, the information contained in a remote in time observation may be deteriorated by model error. The thesis third chapter is dedicated to model error introduction in the IEnKS. The IEnKS-Q, a 4D ensemble variational method solving sequentially the smoothing problem with model error, is built in this chapter. Unfortunately, with model error, a state trajectory is not anymore determined by its initial condition. The number of parameters required to describe its statistics increase with the DAW length. When this number is paired with the number of model evaluations, the consequences on the computing time are disastrous. A proposed solution is to dissociate those quantities with anomaly matrices decompositions. In this case, the IEnKS-Q is as expensive as an IEnKS in terms of model evaluations

Cette thèse s’intéresse à l’option de création d’une union monétaire entre les trois pays du Maghreb, àsavoir l’Algérie, le Maroc et la Tunisie. Elle essaye de répondre aux interrogations suivantes : quelles sont lescaractéristiques des régimes monétaires des pays du Maghreb et comment leurs choix sont-ils justifiés ? Les structures et lesinstitutions de ces pays les rendent-ils éligibles à une union monétaire ? Quelles conséquences macroéconomiques ces payspourront-ils supporter s’ils décident de créer cette union ? Existe-t-il des régimes monétaires alternatifs plus appropriés leursfacilitant in fine la transition vers l’étape ultime de l’intégration monétaire ?Afin de répondre à ces questions, nous avons opté pour la présentation de quatre chapitres. Nous avons décritdans un premier chapitre les fondements théoriques de l’intégration monétaire à travers l’étude de la théorie desZones Monétaires Optimales (ZMO), ses développements, ses lacunes, ses prolongements et ses applicationsempiriques. Nous avons tenté dans un deuxième chapitre de spécifier les mécanismes structurels et institutionnelssusceptibles de garantir la viabilité du processus d’intégration monétaire et de faire recours à quelques expérienceshistoriques. Nous avons essayé dans un troisième chapitre de décrire les régimes monétaires pratiqués par lespays du Maghreb et d’expliquer l’origine de leur hétérogénéité avant d’expliciter les possibilités de création d’uneZMO en présence de cette hétérogénéité. Enfin, nous avons cherché dans un quatrième chapitre à évaluer lesconséquences de la création d’une union monétaire entre les trois pays. Nous avons aussi proposé les régimesmonétaires envisageables qui leur permettent in fine une transition réussie vers cette union monétaire.Nos principaux résultats montrent que la création d’une union monétaire -et son corollaire la mise en place d’unerègle monétaire commune- n’est pas bénéfique, surtout pour l’Algérie du fait que la variabilité de l’inflation et del’activité est beaucoup plus importante qu’au Maroc ou en Tunisie. D’autre part, il a été convenu quel’harmonisation des cibles d’inflation dans le cadre d’un taux de change quasi-flexible ou l’instauration simultanéed’une caisse d’émission pourraient être des régimes monétaires appropriés permettant à ces trois pays unetransition réussie vers l’unification monétaire
This thesis focuses on the option of the launching of a monetary union across three Maghreb Countries, notablyAlgeria, Morocco and Tunisia. It tries to answer the following questions: What are the characteristics of monetaryregimes in the Maghreb Countries and what are the underlying factors for their choices? Do the countries’ structures andinstitutions constitute a favourable environment for the creation of a monetary union between these countries? What would bethe macroeconomic consequences for these countries if they decided to create a monetary union? Are there any alternativemonetary regimes which would enable them to move toward the final steps of monetary integration in a more appropriate way?In order to answer these questions, we opted for a presentation of four chapters. In a first chapter, we describedthe theoretical foundations of monetary integration through the study of Optimum Currency Area Theory (OCA),their theoretical developments, their drawbacks, their extensions and their empirical applications. We tried in asecond chapter to present the structural and institutional mechanisms that insure the viability of the monetaryintegration process and to recourse to some historical experiences. We attempted in a third chapter to describe themonetary regimes currently in use in the Maghreb Countries and to explain the origin of their heterogeneity beforeanalyzing the possibility of setting up an OCA in this context of heterogeneity. Finally, in a fourth chapter, weassessed the consequences of the creation of a monetary union across the three countries. We also suggest possiblemonetary regimes which, in fine, might allow these countries to successfully move toward monetary union.Our main results show that the creation of a monetary union –and its corollary the implementation of a commonmonetary rule- is not beneficial, especially for Algeria where the variability of inflation and activity is moreimportant than in Morocco and Tunisia. On the other hand, we came to the conclusion that the harmonization ofinflation targets within a quasi-flexible exchange rate or the simultaneous setting up of a currency board in thesecountries could represent an appropriate monetary regime which would allow a safe move to monetary union

Nous utilisons, ensemble, l'Ingénierie Système et la Programmation mathématique pour intégrer les exigences de haut niveau dans des problèmes d'optimisation. Nous appliquons cette méthode à trois types différents de système. (1) Les Systèmes d'Information (SI), c.à.d. les réseaux des ressources, matérielles, logicielles et utilisateurs, utilisés dans une entreprise, doivent fournir la base des projets qui sont lancés pour répondre aux besoins commerciaux/des affaires (business). Les SI doivent être capables d'évoluer au fil des remplacements d'une technologie par une autre. Nous proposons un modèle opérationnel et une formulation de programmation mathématique qui formalise un problème de priorisation qui se présente dans le contexte de l'évolution technologique d'un système d'information. (2) Les Recommender Systems (RS) sont un type de moteur de recherche dont l'objectif est de fournir des recommandations personnalisées. Nous considérons le problème du design des Recommender Systems dans le but de fournir de bonnes, intéressantes et précises suggestions. Le transport des matériaux dangereux entraine plusieurs problèmes liés aux conséquences écologiques des incidents possibles. (3) Le système de transport doit assurer le transport, pour l'élimination en sécurité des déchets dangereux, d'une façon telle que le risque des possibles incidents soit distribué d'une manière équitable parmi la population. Nous considérons et intégrons dans des formulations de programmation mathématique deux idées différentes d'équité.

Au cours des dernières années, le cycles organique de Rankine (ORC) ont reçu un grand intérêt de la communauté scientifique et technique en raison de sa capacité à récupérer de l'énergie à partir de sources de chaleur faible. Dans certaines applications, comme la récupération de chaleur des déchets (WHR), les plantes ORC doivent être aussi le plus compact possible en raison de contraintes géométriques et de poids. Récemment, ces questions ont été étudiées dans le but de promouvoir la technologie ORC pour moteur à combustion interne (ICE). L'idée de récupérer ce résidu d'énergie est pas nouvelle et dans les années 1970 la crise énergétique a encouragé le développement de petite ORC plants (1-10 kWe). En raison de la complexité moléculaire du fluides de travail , fort effets de gaz réel doivent être pris en compte en raison de la haute pression et la densité, si on le compare à un gaz idéal. Dans ces conditions, le fluide est connu comme gaz dense. Les gaz denses sont définis comme des vapeurs monophasés, caractérisé par des molécules complexes et avec importantes masses moléculaires. Le rôle de gaz dense dans la gaz dynamique des flux transsonique interne a été largement étudié pour son importance dans les turbomachines. Récemment, l'attention a été concentrée sur des turbines axiales, qui réduisent au minimum la taille du système, en comparaison avec les solutions radiales dans les mêmes rapports de pression et la chute d'enthalpie. Dans ce travail, une nouvelle méthodologie de conception de turbines ORC supersonique est proposé. Elle consiste dans un design à deux dimensions rapide et précise qui est réalisée pour stator et rotor avec une metode de caractéristique (MOC) étendue à une équation d'etat générique. Les effets visqueux sont pris en compte par l'introduction d'une correction turbulente appropriée de la couche limite compressible. Étant donné que les sources de chaleur proposées pour turbines ORC comprennent typiquement des sources d'énergie variables, comme la WHR des procédés industriels ou des applications automobiles, pour améliorer la faisabilité de cette technique, la résistance à des conditions variables d'entrée est prise en compte. L'optimisation numérique sous incertitudes est appelé Optimisation robuste (RO) et il surmonte la limitation de l'optimisation déterministe qui néglige l'effet des incertitudes dans les variables de design et / ou des paramètres de design. Pour mesurer la robustesse d'un nouveau design, les statistiques (la moyenne et la variance, ou écart-type) d'une réponse sont calculées dans le processus RO. Dans ce travail, la conception MOC des ORC aubes supersoniques est utilisé pour créer une profil de référence. Cela est optimisé grâce à une boucle RO. L'optimiseur stochastique est basée sur un modèle de krigeage bayésien de la réponse du système aux paramètres incertains, utilisé pour l'approximation des statistiques de la sortie du système, couplé à une algorithme genetique multi-objectif (NSGA). Une forme optimale qui maximise la moyenne et minimise la variance de l'efficacité isentropique est recherché. L'efficacité isentropique est évaluée au moyen de simulations RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) de l'aube. Le comportement thermodynamique du fluide de travail est modélisée au moyen de l'équation d'etat de Peng-Robinson-stryjek-Vera. La forme de l'aube est paramétrée au moyen d'une approche Free Form Deformation. Pour accélérer le RO processus, une modèle de krigeage supplémentaire est construit pour la fonction multi-objectifs et une stratégie adaptif de remplissage basée sur le Multi Objective Expected Improvement es prise en compte afin d'améliorer la précision de krigeage à chaque génération de la NSGA. La forme robuste optimisé d'aube ORC est comparé aux résultats fournis par le MOC et l'optimiseur déterministe
In recent years, the Organic Rankine Cycle (ORC) technology has received great interest from the scientific and technical community because of its capability to recover energy from low-grade heat sources. In some applications, as the Waste Heat Recovery (WHR), ORC plants need to be as compact as possible because of geometrical and weight constraints. Recently, these issues have been studied in order to promote the ORC technology for Internal Combustion Engine (ICE) applications. The idea to recover this residual energy is not new and the 1970s energy crisis encouraged the development of feasible ORC small-scale plants (1-10 kWe). Due to the molecular complexity of the working fluids, strong real gas effects have to be taken into account because of the high pressures and densities, if compared to an ideal gas. In these conditions the fluid is known as dense gas. Dense gases are defined as single phase vapors, characterized by complex molecules and moderate to large molecular weights. The role of dense gas dynamics in transonic internal flows has been widely studied for its importance in turbomachinery applications involved in low-grade energy exploitation, such as the ORC. Recently, the attention has been focused on axial turbines, which minimize the system size, if compared with radial solutions at the same pressure ratios and enthalpy drops. In this work, a novel design methodology for supersonic ORC axial impulse turbine stages is proposed. It consists in a fast, accurate two-dimensional design which is carried out for the mean-line stator and rotor blade rows of a turbine stage by means of a method of characteristic (MOC) extended to a generic equation of state. The viscous effects are taken into account by introducing a proper turbulent compressible boundary layer correction to the inviscid design obtained with MOC. Since proposed heat sources for ORC turbines typically include variable energy sources such as WHR from industrial processes or automotive applications, as a result, to improve the feasibility of this technology, the resistance to variable input conditions is taken into account. The numerical optimization under uncertainties is called Robust Optimization (RO) and it overcomes the limitation of deterministic optimization that neglects the effect of uncertainties in design variables and/or design parameters. To measure the robustness of a new design, statistics such as mean and variance (or standard deviation) of a response are calculated in the RO process. In this work, the MOC design of supersonic ORC nozzle blade vanes is used to create a baseline injector shape. Subsequently, this is optimized through a RO loop. The stochastic optimizer is based on a Bayesian Kriging model of the system response to the uncertain parameters, used to approximate statistics of the uncertain system output, coupled to a multi-objective non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA). An optimal shape that maximizes the mean and minimizes the variance of the expander isentropic efficiency is searched. The isentropic efficiency is evaluated by means of RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) simulations of the injector. The fluid thermodynamic behavior is modelled by means of the well-known Peng-Robinson-Stryjek-Vera equation of state. The blade shape is parametrized by means of a Free Form Deformation approach. In order to speed-up the RO process, an additional Kriging model is built to approximate the multi-objective fitness function and an adaptive infill strategy based on the Multi Objective Expected Improvement for the individuals is proposed in order to improve the surrogate accuracy at each generation of the NSGA. The robustly optimized ORC expander shape is compared to the results provided by the MOC baseline shape and the injector designed by means of a standard deterministic optimizer

En esta tesis doctoral se aborda la solución de sistemas dispersos de ecuaciones lineales utilizando métodos iterativos precondicionados basados en subespacios de Krylov. En concreto, se centra en ILUPACK, una biblioteca que implementa precondicionadores de tipo ILU multinivel para la solución eficiente de sistemas lineales dispersos. El incremento en el número de ecuaciones, y la aparición de nuevas arquitecturas, motiva el desarrollo de una versión paralela de ILUPACK que optimice tanto el tiempo de ejecución como el consumo energético en arquitecturas multinúcleo actuales y en clusters de nodos construidos con esta tecnología. El objetivo principal de la tesis es el diseño, implementación y valuación de resolutores paralelos energéticamente eficientes para sistemas lineales dispersos orientados a procesadores multinúcleo así como aceleradores hardware como el Intel Xeon Phi. Para lograr este objetivo, se aprovecha el paralelismo de tareas mediante OmpSs y MPI, y se desarrolla un entorno automático para detectar ineficiencias energéticas.
In this dissertation we target the solution of large sparse systems of linear equations using preconditioned iterative methods based on Krylov subspaces. Specifically, we focus on ILUPACK, a library that offers multi-level ILU preconditioners for the effective solution of sparse linear systems. The increase of the number of equations and the introduction of new HPC architectures motivates us to develop a parallel version of ILUPACK which optimizes both execution time and energy consumption on current multicore architectures and clusters of nodes built from this type of technology. Thus, the main goal of this thesis is the design, implementation and evaluation of parallel and energy-efficient iterative sparse linear system solvers for multicore processors as well as recent manycore accelerators such as the Intel Xeon Phi. To fulfill the general objective, we optimize ILUPACK exploiting task parallelism via OmpSs and MPI, and also develope an automatic framework to detect energy inefficiencies.

Dans de nombreuses applications telles que la médecine, l'environnement ou les biotechnologies par exemple, la découverte de nouveau processus de régulations de gènes permet une meilleure compréhension des réponses phénotypiques des cellules à des stimuli externes. Pour cela, il est alors d'usage de générer et d'analyser les données transcriptomiques issues d'expériences de types puces à ADN ou plus récemment de RNAseq. Ainsi, pour chaque gène d'un organisme d'étude placé dans différentes conditions expérimentales, un ensemble de niveau d'expression est obtenu. A partir de ces données, les mécanismes de régulation des gènes peuvent être obtenus à travers un ensemble de liens dans des graphes. Dans ces réseaux, les nœuds correspondent aux gènes. A lien entre deux nœuds est identifié si une relation de régulation existent entre les deux gènes correspondant. De tels réseaux sont appelés Réseaux de Régulation de Gènes (RRGs). Malgré la profusion de méthodes d'inférence disponible, leur construction et leur analyse restent encore à ce jour un défi.Dans cette thèse, nous proposons de répondre au problème d'inférence de réseaux par des techniques d'optimisation dans des graphes. A partir d'information de régulation sur l'ensemble des couples de gènes, nous proposons de déterminer la présence d'arêtes dans le RRG final en adoptant une formulation de fonction objectif intégrant des contraintes. Des a priori à la fois biologiques (sur les interactions entre les gènes) et structuraux (sur la connectivité des nœuds) ont été considérés pour restreindre l'espace des solutions possibles. Les différents a priori donnent des fonctions objectifs ayant des propriétés différentes, pour lesquelles des stratégies d'optimisation adaptées (continue et/ou discrète) peuvent être appliquées. Les post-traitement que nous avons développé ont mené à un ensemble de méthodes nommés BRANE, pour "Biologically-Related A priori for Network Enhancement". Pour chacune des méthodes développées (BRANE Cut, BRANE Relax et BRANE Clust), nos contributions sont triples : formulation de la fonction objectif à l'aide d'a priori, développement de la stratégie d'optimisation et validation (numérique et biologique) sur des données de parangonnage issues des challenges DREAM4 et DREAM5, montrant ainsi des améliorations pouvant atteindre 20%.En complément de l'inférence de réseaux, notre travail s'est étendu à des traitements de données sur graphe plus génériques, tels que les problèmes inverses. Nous avons notamment étudié HOGMep, une approche Bayésienne utilisant des stratégies d'approximation Bayésienne variationnelle. Cette méthode a été développée pour résoudre de façon conjointe, des problèmes de restauration et de classification sur des données multi-composantes (signaux et images). Les performances d'HOGMep dans un contexte de déconvolution d'image couleur montrent de bonnes qualités de reconstruction et de segmentation. Une étude préliminaire dans un contexte de classification de données médicales liant génotype et phénotype a également montré des résultats prometteurs pour des adaptions à venir en bioinformatiques
The discovery of novel gene regulatory processes improves the understanding of cell phenotypicresponses to external stimuli for many biological applications, such as medicine, environmentor biotechnologies. To this purpose, transcriptomic data are generated and analyzed from mi-croarrays or more recently RNAseq experiments. For each gene of a studied organism placed indifferent living conditions, they consist in a sequence of genetic expression levels. From thesedata, gene regulation mechanisms can be recovered by revealing topological links encoded ingeometric graphs. In regulatory graphs, nodes correspond to genes. A link between two nodesis identified if a regulation relationship exists between the two corresponding genes. Such net-works are called Gene Regulatory Networks (GRNs). Their construction as well as their analysisremain challenging despite the large number of available inference methods.In this thesis, we propose to address this network inference problem with recently developedtechniques pertaining to graph optimization. Given all the pairwise gene regulation informa-tion available, we propose to determine the presence of edges in the final GRN by adoptingan energy optimization formulation integrating additional constraints. Either biological (infor-mation about gene interactions) or structural (information about node connectivity) a priorihave been considered to reduce the space of possible solutions. Different priors lead to differentproperties of the global cost function, for which various optimization strategies can be applied.The post-processing network refinements we proposed led to a software suite named BRANE for“Biologically-Related A priori for Network Enhancement”. For each of the proposed methodsBRANE Cut, BRANE Relax and BRANE Clust, our contributions are threefold: a priori-based for-mulation, design of the optimization strategy and validation (numerical and/or biological) onbenchmark datasets.In a ramification of this thesis, we slide from graph inference to more generic data processingsuch as inverse problems. We notably invest in HOGMep, a Bayesian-based approach using aVariation Bayesian Approximation framework for its resolution. This approach allows to jointlyperform reconstruction and clustering/segmentation tasks on multi-component data (for instancesignals or images). Its performance in a color image deconvolution context demonstrates bothquality of reconstruction and segmentation. A preliminary study in a medical data classificationcontext linking genotype and phenotype yields promising results for forthcoming bioinformaticsadaptations