Multi-Objective Optimization in Short and Mid-term Home Health Care Planning

Doctorante : Jiao ZHAO

Laboratoire INSA : DISP

Ecole doctorale : ED512 Infomaths

L'industrie des Soins de Santé à Domicile (SSD) offre des soins essentiels aux personnes âgées, handicapées et malades chroniques, financée par l'assurance sociale et la fiscalité. Les entreprises SSD doivent planifier efficacement pour maximiser l'utilisation des ressources et assurer des soins de qualité.
Dans les entreprises de SSD, les gestionnaires acceptent un nombre limité de patients, évaluant leur niveau de dépendance et planifiant leurs services hebdomadaires. Les soignants, internes et externes, visitent les patients selon des itinéraires et horaires définis. L'objectif est de créer ces itinéraires et horaires tout en considérant le nombre de soignants différents. Une approche de programmation linéaire en nombres entiers mixtes est utilisée, intégrant une recherche de grand voisinage dans un cadre de recherche locale améliorée. Les résultats montrent une performance supérieure à la méthode augmentée de contrainte et enfin des recommandations de gestion sont données.
Suite à la planification hebdomadaire en soins à domicile, des incertitudes liées aux temps de service peuvent survenir, affectant la qualité du service. Pour y remédier, nous introduisons un problème d'optimisation bi-objectif pour la planification et le routage incertains. Nous proposons des versions déterministes et stochastiques d'une recherche adaptative de grand voisinage intégrée dans un cadre de recherche locale multidirectionnelle améliorée, offrant une efficacité supérieure comparée au Solveur Gurobi. La robustesse de notre modèle et méthode est confirmée par une analyse de sensibilité. Enfin, l'application pratique de cette méthode est démontrée par un cas réel, accompagnée de recommandations managériales.
 

Environmentally Friendly Polylactide-Based Multiphase Systems: Processing-Structure-Property Relationship

Doctorant : Hu QIAO

Laboratoire INSA : IMP

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

The preparation of environmentally friendly multiphase materials by continuous melt mixing modification is an overall efficient and practical method to address the issues of polylactide (PLA). Investigating the effects of composition/structure on macroscopic properties/performance is essential in complex multi-component systems. This doctoral thesis focuses on an original strategy to manufacture the high performance PLA-based coextrusion multi-micro/nanolayers, where the coextruded constituents regarding PLA/PHBV blends and PLA/CNC biocomposites are studied separately. Starting with a fundamental study of PLA/PHBV biphasic blends over the entire range of compositions obtained by melt blending. The composition dependence of thermal stabilities, morphology, miscibility, rheology and dielectric properties of the blends are comprehensively investigated. Secondly, the ternary PLA-based nanocomposites incorporating PEG-coated CNC were prepared by a continuous extrusion method to enhance the dispersion of CNC. The effects of PEG/CNC mass ratio on CNC dispersion of and physical properties of PLA were highlighted. The dispersion of CNC, crystallization rate, crystallinity, elongation at break, as well as the oxygen transmission rate of the system were gradually improved with increasing the ratio, and their best values were obtained at a ratio of 5/1. Based on the above studies, we were finally able to fabricate the forced-assembly coextrusion multi-micro/nanolayer containing neat PHBV, and PLA/CNC-based composite manufactured by an industrial liquid feeding method. The increasingly suppressed crystallization and oriented lamellar/crystalline structure with increasing number of layers were revealed, accordingly resulting in a 64% reduction in OTR for the nanolayer. By establishing the processing-structure-property relationship, this dissertation provided a true understanding of how to enhance and/or induce the target properties/performance in the complex multiphase systems. The findings obtained in this work are dedicated to the development of innovative fabrication of high performance PLA-based eco-friendly materials for their advanced and broader applications.

A new approach of lubricant behavior in highly loaded contact

Doctorante : Marjolaine GONON

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

This doctoral research focuses on lubricants behavior in highly loaded lubricated contacts (pressure > 1 GPa), or EHD (elastohydrodynamic) contacts, a vital aspect of engineering and industry. Under such high load, the friction coefficient (= tangential force/normal load) measured in these contacts may display a plateau regime at medium to high sliding velocities of the solid surfaces. It means that the macroscopic average shear stress becomes shear rate independent, associated in the literature to the lubricant Limiting Shear Stress (LSS)]. Previous work provided on molecular dynamic simulations revealed homogeneous and linear lubricant velocity profiles across the lubricant film thickness, even in the friction plateau regime, with no sliding at the walls. This implies that the friction plateau should result from an intrinsic property of the lubricant, reminiscent of the lubricant glass transition scenario. The present study investigates three model fluids: squalane, benzyl benzoate, and glycerol. Those fluids have been characterized in a high- pressure diamond anvil cell and a rheometer, both combined to two Brillouin light scattering spectroscopy set-ups. The results obtained from the new VIPA rig have been compared to those from TFP-1 and the literature. The results from high-pressure experiments have been compared to friction measurements previously conducted on squalane and benzyl benzoate. The study shows a correlation between the glass transition of these fluids and the onset of the friction plateau in EHD contacts. This research advances our understanding on friction in highly loaded lubricated contacts and highlights the importance of considering local dynamics when studying complex fluids under extreme conditions.These insights have the potential to improve lubricant development and to address friction-related challenges in engineering and industry.

Probabilistic Metamodels to Assess Global NVH Performance of Electric Vehicles

Doctorant : Vinay PRAKASH

Laboratoire INSA : LVA

Ecole doctorale : ED162 MEGA

L'électromobilité pose de nouveaux défis en matière de conception et de développement des véhicules. Les caractéristiques de bruit, de vibration et de rudesse (NVH) d'un véhicule sont cruciales, car elles influencent à la fois le confort des passagers et les considérations environnementales. L'évolution rapide des véhicules électriques (VE) nécessite une prise de décision rapide de la part des concepteurs NVH dès les premières étapes du cycle de conception. L'évaluation des risques NVH devient encore plus difficile en raison de la présence de divers paramètres fonctionnels (par exemple, les conditions de fonctionnement, les paramètres de conception) et des différentes incertitudes qui y sont associées, par exemple, la connaissance partielle, la dispersion des données basées sur les mesures, etc. En conséquence, ce travail se concentre sur le développement de métamodèles probabilistes rapides et complets capables de quantifier de telles incertitudes reliant les paramètres fonctionnels aux indicateurs globaux de performance NVH. L'accent est mis en particulier sur l'évaluation des bruits tonaux à bande étroite provenant des groupes motopropulseurs électriques des VE à batterie, ainsi que sur les bruits de masquage à bande large résultant du vent aérodynamique et des effets de l'interaction pneu-chaussée. La méthodologie choisie utilise un cadre bayésien couplé à des techniques d'échantillonnage de Markov Chain Monte Carlo. Cette approche facilite l'incorporation de connaissances préalables (par exemple, d'experts du domaine automobile) et permet la propagation d'incertitudes à travers de multiples domaines physiques, qui sont estimés par des approches semi-analytiques enrichies par des bases de données expérimentales. Le cadre probabiliste développé est censé fournir un soutien inestimable aux concepteurs NVH en les aidant à déterminer/affiner les paramètres fonctionnels, à évaluer les niveaux acoustiques globaux à l'intérieur de la cabine passagers et à prendre des décisions éclairées dans la recherche d'améliorations des performances NVH des véhicules.

Development of multiscale liquid phase electron tomography and its application to the study of ultra-sensitive materials

Doctorant : Louis-Marie LEBAS

Laboratoire INSA : MATEIS

É​cole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

The demand for characterizing a single beam-sensitive sample at the nanoscale is increasing for applications in both materials science and biology.
This study presents a protocol with a software solution that enables precise control over the electron microscope and a custom sample holder, facilitating automated acquisition of fast 3D data from a single object under environmental conditions. This method allows for imaging with a controlled low electron dose and multimodal electron signals. It can be used in environmental scanning or transmission electron microscopes for easy sample preparation and to benefit from high resolution. The software has several key features, including automatic eucentricity adjustment, automatic acquisition with a new drift correction algorithm that eliminates the need for an extra validation step, and focus and astigmatism adjustment assistance.
To demonstrate its effectiveness, the morphology of typical samples such as latex nanoparticles, silica aerogels, and gold nanoparticles is investigated. As an example of a more comprehensive study, a multi-scale test was performed using AlOOH to evaluate its morphological properties at different scales. The Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) was used to monitor the sample in 3D during a dehydration-rehydration cycle and also to evaluate the penetration of gold nanoparticles. The Transmission Electron Microscope (ETEM) provided better resolution and allowed for the quantification of sample porosity down to the nanoscale.
One major achievement of the protocol is that it allows for recording tilt series for electron tomography investigations in STEM mode at multiple scales while using a total electron dose that is an order of magnitude lower than what is accepted in cryo electron tomography. Therefore, this study represents a significant advancement in the analysis of different samples at varying humidity levels. Additionally, it provides a simpler sample preparation process compared to cryo-TEM techniques, while maintaining a similar or even lower radiation dose.

 

Modifications chimiques de polysaccharides en milieu aqueux pour générer de nouveaux matériaux biosourcés fonctionnels

Doctorant : Laurent REMY

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

La modification chimique de polysaccharides, par des procédés conjuguant efficacité et durabilité, est une stratégie de choix pour valoriser la biomasse. A ce titre, les réactions multicomposant (RMC) sont des voies de fonctionnalisation très attrayantes permettant de lier chimiquement plusieurs précurseurs en conditions monotopes, sans catalyseurs ni agents de couplage. Nous nous sommes intéressés à la carboxyméthylcellulose (CMC), dérivé éther de la cellulose, diffusé à grande échelle, et soluble dans l'eau de par la présence de fonctions acide carboxylique qui facilitent également sa modification chimique, en particulier par les RMC utilisées dans le cadre de ce travail de thèse. Deux RMC ont été exploitées et appliquées à la CMC : la réaction d’Ugi à quatre composants (U-4CR) et celle de Passerini à trois composants (P-3CR) toutes deux réalisées dans l’eau et sous des conditions douces. Notamment, par la réaction de Passerini nous avons généré : i) une nouvelle famille de dérivés fonctionnels et/ou réactifs, à base de CMC doublement modifié par des cétones de structure variée (cétones non substituées, pyruvate, acétoacétate, lévulinate, diacétone acrylamide) et par un isonitrile aliphatique, ainsi que ii) des matériaux hybrides à base de CMC, à savoir des hydrogels chimiques et physiques. Des hydrogels réticulés chimiquement thermosensibles ont été obtenus par un processus de « grafting through » en conditions radicalaires, entre un macromonomère de CMC modifié par Passerini avec une cétone fonctionnalisée méthacrylate et des comonomères à base de méthacrylate d’éthylène glycol. Les hydrogels physiques, présentant également un comportement thermosensible, ont été générés à partir de copolymères greffés de CMC porteurs à la fois de segments de PEG- co-PPG (Jeffamine) à LCST et d’aldéhydes aliphatiques. La réponse en température de ces systèmes a été étudiée de façon approfondie et l’impact de paramètres externes et structuraux a été élucidé par DSC, rhéologie, et par des expériences de SAXS. Nous avons notamment mis en évidence tout le bénéfice apporté par la double fonctionnalisation Passerini.

Unidirectional High-Ratio DC-DC Converter for Renewable Energy Sources

Doctorant : Pierre LE METAYER

Laboratoire INSA : AMPERE

Ecole doctorale : ED160 EEA

Les travaux réalisés au cours de cette thèse se concentrent sur le thème du convertisseur DC-DC pour les applications d’énergies renouvelables connectées à un réseau moyenne tension DC. La palette de sujets abordées s’étend de la définition des exigences auxquelles un tel convertisseur doit répondre jusqu’aux propositions d’implémentations matérielles le permettant, en passant par la sélection de la topologie la plus adaptée ainsi que par l’adaptation de son contrôle. Les différents points étudiés sont accompagnés de validations expérimentales utilisant différentes maquettes. Un prototype complet de convertisseur DC-DC 1.2 kV - 6.6 kV 83 kW est notamment construit et opéré à pleine puissance et tension.

 

Transferts et processus associés aux résidus de médicaments humains et vétérinaires et aux biocides des boues urbaines et des lisiers utilisés comme fertilisants

Doctorante : Noémie PERNIN

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Les boues urbaines contiennent des résidus pharmaceutiques et des biocides divers, partiellement traités dans les stations d’épuration. Le lisier contient des pharmaceutiques vétérinaires et des biocides utilisés pour le nettoyage des installations d’élevage. Les boues comme les lisiers sont épandus comme fertilisant pour l’agriculture. Des traces de résidus pharmaceutiques humains et vétérinaires, ainsi que des biocides sont ainsi présents dans de nombreuses rivières et aquifères, et dans les sols agricoles en France et dans le monde entier.
La thèse est consacrée à l'évaluation des transferts et des processus associés (dégradation, infiltration, adsorption, etc.) liés aux résidus pharmaceutiques et aux biocides provenant à la fois des boues des stations d'épuration urbaines et des lisiers épandus sur les champs comme engrais pour l'agriculture. Elle fait partie du projet Telesphore réalisé sur l'observatoire SIPIBEL. L'objectif principal est d'évaluer la contamination possible par les produits pharmaceutiques et les biocides des sols et des eaux souterraines due à l'épandage de produits résiduaires organiques (PRO) comme fertilisants. La partie expérimentale est bâtie sur trois échelles d’étude (i) des essais en microcosme pour caractériser la sorption à des sols et des mélanges sol/PRO (ii) des essais en conditions contrôlées sur colonnes de sol pour évaluer les transferts verticaux et (iii) des campagnes in situ sur des lysimètres (Fig. 1) soit en condition réelle d’épandage, soit en taux d’application élevé de PRO. Les paramètres de sorption obtenus par les essais en microcosme sont utilisés pour la modélisation sur HYDRUS 1D du transfert réactif des essais sur colonnes de sol.

 

Algorithmes d'apprentissage pour le cyclisme urbain : modèles implicites et infrastructure dynamique

Doctorant : Lucas MAGNANA

Laboratoire INSA : CITI

Ecole doctorale : ED512 : InfoMaths

Le développement de nouvelles technologies ainsi qu'une prise de conscience des dangers du dérèglement climatique ont permis entre autres une augmentation du nombre de cyclistes dans les villes au cours des 20 dernières années. Cela s'est naturellement accompagné de nouveaux moyens de récupérer des données comportementales de cyclistes, diversifiant et multipliant les jeux de données existants. L'objectif de cette thèse est d'utiliser certaines données comportementales de cyclistes ainsi que des algorithmes récents d'intelligence artificielle pour créer des outils innovants d'aide aux politiques urbaines d'incitation au cyclisme. Dans un premier temps, un état de l'art des différentes sources de données de comportements de cyclistes est dressé. Cet état de l'art permet, entre autres, de se rendre compte des difficultés d'utilisation accompagnant chaque source. Celui-ci est aussi l'occasion de justifier les sources de données utilisées ensuite. Dans un second temps, une méthode de création de modèles de choix d'itinéraire implicites est développée à partir de traces GPS. Les modèles créés avec cette méthode permettent de générer un itinéraire cyclable à partir d'une origine et d'une destination. Le développement d'un modèle commence par l'identification des segments de route préférés par les cyclistes ayant généré les traces GPS. Un réseau de neurones artificiels choisi ensuite un groupe de segments de route préférés pertinents à partir d'une origine et d'une destination. Une pondération de graphe routier est ensuite effectuée à l'aide des segments de route sélectionnés pour générer un itinéraire cyclable. Enfin, un feu de signalisation intelligent permettant de sécuriser le passage des cyclistes à l'intersection qu'il régule est développé. L'utilisation de l'intelligence artificielle permet de séparer les flux de vélos et de véhicules motorisés en limitant l'impact sur le trafic à l'intersection. Les simulations dans lesquelles ce feu est testé ont un volume de véhicules réaliste grâce à l'utilisation de données de compteurs.

Modeling, characterization and implementation of ferroelectric materials and their phase transitions for energy harvesting under extreme conditions

Doctorant : Gaspard TAXIL

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED160 : EEA

Ce travail de recherche se concentre sur l’utilisation des transitions de phases des matériaux ferroélectriques pour la récupération d’énergie mécanique. La récupération d'énergie mécanique est une approche alternative pour alimenter des dispositifs et des capteurs. Cela est d’un grand intérêt, surtout compte tenu de l’essor des dispositifs interconnectés et du besoin de produire de l’électricité décarbonée. Cette thèse a la particularité de s’intéresser aux systèmes non résonnants, ce qui reste encore peu exploité en récupération d’énergie. L'un des principaux défis avec cette approche est la nécessité de maximiser la récupération d'énergie par cycle pour la rendre viable. Ainsi, l'utilisation de cycles thermodynamiques permet d'optimiser l'énergie récoltée. Le cycle d’Ericsson, communément appelé cycle d’Olsen dans le domaine de la récupération d'énergie pyroélectrique, a attiré l'attention en raison de ses remarquables capacités de conversion d'énergie. Ce cycle comprend deux processus isostatiques et deux processus isoélectriques et il offre une bonne solution pour la récupération d'énergie mécanique non résonante. Dans ce contexte, les matériaux ferroélectriques (une classe particulière des matériaux piézoélectriques) montrent un potentiel significatif pour être utilisés dans la récupération d'énergie mécanique en tant que transducteur en raison de leurs propriétés exceptionnelles. Une caractéristique notable de ces matériaux est leur capacité à afficher des transitions de phase induites par des variations de température, de champ électrique et de contrainte. L'exploitation de ces transitions de phases peut s’avérer prometteur pour améliorer la récupération d'énergie, étant donné que les matériaux présentent des propriétés non linéaires à proximité de ces transitions. Ainsi, ce travail propose grâce à la modélisation, la caractérisation et l’implémentation de ces matériaux ferroélectriques dans des dispositifs de récupération d’énergie, d’utiliser ces non-linéarités induites par la contrainte et par le champ électrique pour améliorer la conversion d’énergie mécanique.