Machine Learning Techniques for Electricity Price Forecasting

Doctorant : Léonard TSCHORA

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 Informatique et Mathématiques de Lyon

Electricity is essential for the energetic transition due to the diversity of greenhouse-gas free means of production and its potential to replace fossil fuels. However, it requires constant balance between generation and consumption, and can't be stored efficiently. Thus, it's necessary to use Price Fixing Algorithm (PFA) for developing competitive markets. Daily, Euphemia, determines the prices for the next day. Unlike other speculative markets, the price is algorithmically computed that renders its forcasts paramount for business applications. Electricity Price Forecasting consists in predicting the 24 hourly prices before their fixation at 12am. The literature highlights two incomplete approaches: expert models aim at replicating the PFA and computing the prices based on estimates of its inputs, but fail to produce accurate forecasts in practice. Data driven methods directly estimate prices using exogenous variables and past prices, but lack transparency. Also, the true relationship between variables and prices is only captured by Euphemia, implicitly limiting the performances of data driven approaches. The first challenge is to produce explainable EPF models using Shap Values, a model- agnostic explanability tool. Then, we represent the European network as a Graph where each country is a node labeled with its prices. We estimate the Graph edges using an optimization problem prior to training. With a Graph Neural Networks, we forecast prices for all markets simultanesously. Lastly, we combine the Euphemia algorithm with in a Neural Network (NN) that forecasts its inputs. To consider the price forecasting error in the NN's training, we compute the gradient of Euphemia's output with respect to its input, by vanishing the derivative of the dual function using a dichotomic search. We hope this thesis will be beneficial for the EPF practitioners and we also believe that our work on mixing optimization problems with machine learning models will benefit the broader Machine Learning community. 

Identification and Simulation of Physical Systems with Structured Deep Learning and Inductive Knowledge

Doctorant : Steeven JANNY

Laboratoire INSA : LIRIS
Ecole doctorale : ED512 Infomaths

Les progrès technologiques de notre époque sont soutenus par des outils numériques pour simuler, contrôler et observer les systèmes physiques. En se concentrant sur des phénomènes complexes, les méthodes conventionnelles ne parviennent plus à répondre aux attentes en termes de précision ou de temps de calcul. Les approches data-driven, en particulier les réseaux de neurones, offrent des alternatives pour résoudre ces problèmes. Ces modèles capturent des relations non-linéaires dans les systèmes physiques et déplacent la charge de modélisation vers celle de la collecte de données. Cependant, ces méthodes sacrifient les garanties offertes par les approches traditionnelles. Nous proposons de combiner les domaines de la physique, de l'apprentissage profond et de la théorie du contrôle pour proposer de nouvelles méthodes hybrides, tirant parti de la puissance des réseaux de neurones, tout en s'appuyant sur des biais inductifs issus de la physique. Ce manuscrit présente nos travaux dans ce domaine. En particulier, il décrit des outils théoriques (abordés dans la partie 1) liés à la simulation de systèmes dynamiques et les connecte à la conception de réseaux neuronaux. Dans un deuxième temps (Partie 2), nous exploitons ces connaissances pour concevoir des algorithmes de contrôle et des techniques de simulation impliquant la résolution de problèmes complexes liés aux équations aux dérivées partielles. Enfin, dans la troisième partie, nous abordons des problèmes de simulation à plus grande échelle tels que la dynamique des fluides et le raisonnement contrefactuel. Nos travaux ont été présentés lors de conférences scientifiques dans le domaine de l'intelligence artificielle et de la théorie du contrôle. En construisant un pont entre la physique et l’apprentissage automatique, nous croyons fermement que cette direction de recherche peut contribuer à une nouvelle génération de méthodologies pour la simulation et le contrôle des systèmes physiques.

Design d'un procédé de mise en compression par impulsions électromagnétiques post soudage ou fabrication additive

Doctorant : Komlavi Mawuli SENYO

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

La mise en compression des pièces est une technique utilisée pour augmenter la durée de vie des pièces. Elle consiste à introduire des déformations plastiques et par la suite des contraintes résiduelles dans des pièces. Pour ce faire, plusieurs procédés ont été mis au point à savoir, le grenaillage, la mise en compression par choc laser, la mise en compression par jet d'eau. Ces procédés biens que permettant d'atteindre l'objectif de déformation plastique et d'introduction de contrainte résiduelle de compression, présentent des limitations et inconvénients. On peut citer la modification de l'état de surface, des profondeurs traitées faibles, des difficultés de contrôles ainsi que la contamination des milieux sensibles, etc. Des études sont menées sur de nouveaux procédés pouvant permettre d'avoir des mêmes résultats voire meilleurs que les procédés précités. Le procédé de mise en compression par impulsions électromagnétiques se classe dans ces nouveaux procédés. Il consiste à la génération d'un puissant champ électromagnétique dans une pièce conductrice de courant. Ce champ favorise la génération des forces de Laplace dans la pièce. Ces forces déforme plastiquement le matériau et en introduisant des contraintes résiduelles de compression dans la pièce. La modélisation et la simulation du procédé de mise en compression par impulsions électromagnétiques fait l'objet de cette thèse. La littérature est quasiment vierge en ce qui concerne ce procédé mise à part quelque travaux de modélisation 2D axisymétrique. Un modèle 2D couplé électromagnétique, mécanique a été mise en place pour simuler le procédé. Ce modèle a permis de confirmer la possibilité de mise en compression des pièces et l'influence de certains paramètres clés du procédé. Il a été utilisé également pour faire une étude de la tenue mécanique de l'inducteur. Enfin une approche de modélisation 3D a été présenté et utilisé pour faire une simulation multi- impacts du procédé.

Flowshop scheduling problem including learning and fatigue effects: theoretical contributions and case study

Doctorante : Yenny Alexandra PAREDES-ASTUDILLO

Laboratoire INSA : DISP

Ecole doctorale : ED512 : InfoMaths

Despite the rise of automation, hand-intensive production systems are still in use due to the need for workers to be extremely flexible and precise in completing certain tasks. Interest is generated by the impact of learning and fatigue on manual task productivity. The focus of this study is on a flowshop scheduling problem (FSSP) that considers the effects of learning and fatigue. Firstly, a literature review was conducted on the scheduling problem with learning and deterioration effect. After that, a theoretical approach was used to address the problem of FSSP with learning effect. Mathematical models that minimize the makespan were presented. Exact methods and heuristics were proposed for solving the problem in small and large instances. As fatigue is a type of deterioration, a multi-agent model was proposed to validate the integration of muscular fatigue into the FSSP by minimizing the total fatigue dose. Finally, the framework was validated by a case study application that took place in a manual picking line. The modeling of learning and fatigue effects and the computation of model parameters from real data were discussed. A bi-objective approach was proposed to minimize both makespan and total fatigue dose simultaneously. Break policies are recommended depending on the company's needs and the objective to prioritize. The aim of this work is to inspire future work that is interested in addressing operations research problems with a responsible incorporation of human factors.

Elaboration, characterization, and reliability of Copper-Copper connections for the assembly of advanced technology microelectronic devices

Doctorant : Romain HAEFFELE

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Dans les composés microélectroniques, la connexion électrique entre le circuit intégré et son boîtier est généralement effectuée par un procédé de câblage qui implique une soudure entre un fil et deux plots de connexion. Une récente technologie permet de réaliser ce câblage sans soudure intermétallique (liaison cuivre-cuivre). Cependant, lors des procédés d'assemblage et du fonctionnement du produit, le pad de cuivre est exposé à des environnements agressifs (température, humidité et contaminants halogénés). La corrosion des plots de cuivre peut entraîner une rupture du câblage et une baisse de la fiabilité du dispositif. Il est donc essentiel de maîtriser l'état de surface des plots tout au long de l'assemblage précédent le procédé de câblage. Une couche d’alumine ultra-mince (< 15 nm) est déposée sur le cuivre pour le protéger tout en permettant le câblage thermosonique. Cependant, des phénomènes de corrosion localisée ont été observés. Il est question dans cette thèse d’étudier les mécanismes de dégradation de ces systèmes revêtus Cu/Al2O3 pour proposer un revêtement qui permet de répondre au cahier des charges. Une caractérisation fine du substrat a été réalisée par des techniques de microscopie avancées. Il a été montré que l’état de surface du cuivre est un facteur très important. En effet, la surface du substrat présente des excroissances de grains (zones de fortes contraintes entre les grains), qui ne permettent pas une bonne tenue de la couche d’alumine. Une étude approfondie de la réactivité par voie électrochimique du système revêtu a permis de comprendre les mécanismes de dégradation du cuivre en milieu aqueux et chloruré. Sur la base de ces nouvelles connaissances, un revêtement innovant capable de résister à la fois à l'environnement agressif et aux contraintes mécaniques du substrat a été proposé. Le nouveau système revêtu a été validé sur un dispositif réel et son intégration dans le procédé de câblage a été réalisée avec succès.

Compréhension et optimisation du pompage énergétique multiphysique dans les absorbeurs de vibrations non-linéaires hybrides

Doctorant : Louis MESNY 

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les absorbeurs passifs, également connus sous le nom de Tuned Mass Dampers (TMD), sont couramment utilisés pour réduire les vibrations. Leur principal avantage réside dans leur facilité de mise en œuvre. Cependant, leur plage d'efficacité est limitée, car ils sont conçus pour fonctionner à une fréquence spécifique. Au cours des dernières décennies, deux nouvelles voies ont émergé. Premièrement, l'hybridation qui combine des techniques de contrôle actif impliquant des actionneurs, des capteurs et des lois de contrôle avec un contrôle passif. Ce système combiné apporte une caractéristique "fail safe", ce qui signifie qu'il est robuste face aux défaillances des composants actifs et présente généralement des performances supérieures par rapport aux systèmes purement passifs. Deuxièmement, la fonctionnalisation des non-linéarités dans les absorbeurs de vibrations, on parle alors d'absorbeurs non-linéaires. Ces derniers peuvent être purement non linéaires, tels que le Nonlinear Energy Sink (NES), ou disposer en plus d'une partie linéaire, comme le Nonlinear Tuned Vibration Absorber (NLTVA). L'introduction de ces non-linéarités élargit la gamme d'applications des absorbeurs. Cependant, les non-linéarités peuvent également entraîner des phénomènes indésirables, tels que des solutions isolées ou des points de bifurcation, qui doivent être identifiés pour assurer un fonctionnement sûr et efficace. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est de combiner ces approches afin de surmonter leurs limitations individuelles. Le manuscrit fournira un aperçu détaillé des outils utilisés pour analyser les systèmes à dynamique non-linéaire couplés à un contrôle actif. Ces outils serviront ensuite de base pour la compréhension et la validation d'un absorbeur non-linéaire hybride expérimental.

Commande des convertisseurs électriques pour l’actionnement et l’acheminement de l'énergie

Maître de conférences : Jean-Yves GAUTHIER

Laboratoire INSA : Ampère

Composition du jury : 

Rapporteurs : Maurice FADEL, Jean-Paul GAUBERT et Malek GHANES

Jury :

• Demba DIALLO    Professeur des Universités    Université Paris-Saclay
• Maurice FADEL    Professeur des Universités    ENSEEIHT, Toulouse
• Jean-Paul GAUBERT    Professeur des Universités    Université de Poitiers
• Malek GHANES    Professeur des Universités    Ecole Centrale de Nantes
• Xuefang LIN-SHI    Professeur des Universités    INSA Lyon
• Claire VALENTIN    Professeur des Universités    Université Claude Bernard Lyon 1

Study on the effect of environment on internal fatigue crack propagation in Ti-6Al-4V

Doctorant : Louis HÉBRARD

Laboratoire INSA : MatEiS

Ecole doctorale : ED 34 : Matériaux de Lyon

In Very High Cycle Fatigue regime (fatigue lives longer than $10^8$ cycles), the fatigue cracks tend to initiate internally. This makes the visual detection impossible during maintenance operations. Consequently, engineers need robust fatigue datasets to prevent internal crack initiation to lead to the fracture of a critical part. For that purpose, in-situ experimental techniques are developed. In particular, micro-computed tomography allows to acquire direct images of internal fatigue cracks. In this study, a combination of in-situ micro-tomography and ultrasonic fatigue cycling has been applied to internally notched specimen in order to collect fatigue datasets. More preciselly, the crack shape of internal fatigue cracks has been monitored in 3D at different instant of their propagation up to the Very High Cycle Fatigue regime. Internal notches have also been linked to the specimen surface and so to the ambient atmosphere in order to study the influence of environment on internal fatigue cracks. This expermental procedure allowed to acquire for the first time, in-situ observations of internal fatigue cracks propagating with and without air in a Ti64 alloy. In this context, temperature measurements were also carried out to evaluate the effect of the environment on the plasticity at the crack tip. Finally, the fatigue data obtained at ultrasonic frequencies allowed to evaluate the influence of the cycling frequency on crack growth rates.

Dynamique des génomes bactériens : une étude expérimentale in silico avec la plate-forme aevol

Doctorant : Marco FOLEY

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 Informatique et mathématiques de Lyon

Aevol est une plate-forme de simulation de l’évolution de populations d’organismes par variation et sélection. La conception du modèle est axée sur le réalisme de la structure du génome et des processus de mutations, permettant ainsi aux organismes simulés d'évoluer sur un fitness landscape comparable à celui d'organismes biologiques, avec des contraintes d’exploration similaires. Ces processus permettent l’émergence de comportements d’intérêt, pour l'étude de l'évolution de la structure des génomes, et pour produire des données de benchmarks pour tester les méthodes de phylogénie moléculaire. Les résultats obtenus jusqu’ici dans aevol concourent à suggérer que les éléments non-codants du génome sont soumis à sélection. Dans ce travail, nous avons utilisé Aevol pour mener une large campagne de simulation sur de très longues échelles de temps. Ces expériences nous permettent de montrer que la quantité de séquences non-codantes est finement régulée par deux forces contraires. La première est une force de sélection pour des génomes réduits car plus robustes face aux réarrangements chromosomiques. La seconde provient d'un biais mutationnel indirect favorisant les évènements de duplications neutres sur les délétions neutres menant à l'accumulation de non-codant par dérive génétique. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé aevol comme outil de génération de benchmarks pour la phylogénie. En effet, Aevol ayant été développé indépendamment de la communauté de phylogénie moléculaire, il ne contient pas les a priori classiquement inclus dans les simulateurs de cette communauté, évitant ainsi la validation ad hoc des méthodes. Cependant, les séquences composant les génomes étant binaires dans Aevol, nous avons développé une version du simulateur utilisant des séquences génomiques quaternaire (ACTG). Cette nouvelle version a ensuite été utilisée pour générer des données de benchmarks afin de tester les reconstructions d'arbres phylogénétiques

 

Multi-scale characterization and simulation of fracture in nacre- like ceramics

Doctorant : Thomas DUMINY
Laboratoire INSA : MATEIS
Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Cette thèse aborde la caractérisation et la simulation de la nacre d’alumine, un matériau constitué pour 98% de son volume de plaquettes d’alumine, et pour 2% de verre. Une particularité de ce matériau est sa microstructure dite en “briques et mortier”, dans laquelle les plaquettes sont alignées dans une direction induite par le procédé de fabrication. Le verre quant à lui est situé entre les plaquettes. L’influence de l’anisotropie de ce matériau sur son comportement à rupture n’est que peu étudié dans la littérature. De plus, les approches expérimentales de caractérisation de la rupture présentent des limitations pour caractériser ce matériau compose de deux constituants fragiles mais présentant différents mécanismes de renforcement de la ténacité pouvant entrainer, dans certains cas, une propagation stable de fissure. Par conséquent, un dialogue essai- calcul basé sur une implémentation par éléments finis du critère couplé est implémenté. Différentes orientations de la microstructure par rapport à la direction de sollicitation mécaniques sont étudiées, en se concentrant principalement sur l’amorce de fissures. Cette étude a permis une compréhension plus fine des mécanismes de renforcement de la ténacité dans les nacres d’alumine. De plus, des pistes pour optimiser la microstructure des nacres d’alumines sont définies et mises au regard de leurs contributions potentielles sur les mécanismes de renforcement à l’amorce de fissure.