Protocol Emergence with Multi-agent Reinforcement Learning

Doctorant : Mateus MOTA

Laboratoire INSA : CITI
Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Dans ce travail, nous proposons une technique de conception de protocole automatisée appelée émergence de protocole. Lors de l'émergence d'un protocole, les nœuds du réseau échangent des messages de contrôle afin de se coordonner pour transmettre des données à travers le réseau, mais sans aucun accord préalable sur la signification de ces messages. Cela peut être considéré comme une technique conjointe de signalisation et d’optimisation du réseau, le principal problème de réseau sans fil étudié dans ce travail étant la planification.

Premièrement, les principes fondamentaux de l'émergence des protocoles sont présentés en introduisant un cadre décrivant les méthodes d'évaluation, de caractérisation, de coordination entre nœuds et d'interprétation des performances des protocoles. Ce cadre est étudié dans un problème d'accès multiple slotté.

Dans la deuxième partie de ce travail, nous évaluons les performances d'émergence de protocoles dans un scénario plus difficile impliquant une allocation de ressources contiguës. Ce scénario difficile est utilisé pour évaluer les capacités d'apprentissage et les limites de l'émergence de protocoles, illustrant par exemple la robustesse de certains paramètres et les défis liés à l'évolutivité de l'UE.

Dans la troisième partie de ce travail, nous évaluons l'émergence de protocoles sous contraintes de signalisation, dans un scénario d'allocation non contiguë avec signalisation intermittente. Dans cette étude, nous nous concentrons sur la production d’une méthode dans laquelle le débit binaire de contrôle utilisé par le protocole peut être contrôlé. Les résultats mettent en évidence l'effet du coût de signalisation sur la réduction du débit binaire de contrôle et son effet sur la coordination et les performances.

Etude du confort vibratoire et acoustique en cabine d’avion sous l’influence de la rotation des moteurs ou des phénomènes de turbulences

Doctorante : Sarah JIBODH-JIAOUAN

Laboratoire INSA : LVA

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique Energétique Génie civil Acoustique

Airbus répond à la demande croissante des passagers d'avions commerciaux en quête d'un vol confortable, avec moins de bruit et de vibrations. Cependant, les normes actuelles ne correspondent pas toujours aux sensations ressenties par le personnel navigant. De plus, il n'existe actuellement aucun modèle d'inconfort intégrant à la fois les stimuli sonores et vibratoires pour une application dans l’aviation. Dans cette thèse, des tests perceptifs ont été menés pour mieux comprendre et modéliser la perception de l'inconfort causé par différentes sources, à travers deux axes de recherche distincts. Le premier axe s'est concentré sur les vibrations et le bruit générés par la rotation des turboréacteurs synchronisés et désynchronisés. Les résultats ont montré que les participants sont sensibles à la fréquence de rotation des moteurs synchronisés, ainsi qu'à son amplitude. En revanche, pour les moteurs désynchronisés, les variations d'amplitude de modulation ou de fréquence de modulation n'ont pas semblé affecter la sensibilité des participants. La sonie est apparue comme un paramètre pertinent pour évaluer l'inconfort acoustique, bien limitée. En ce qui concerne l'inconfort vibratoire, la norme ISO 2631-1 a été jugée adéquate pour estimer l'inconfort dans le cas des moteurs synchronisés, mais elle ne tient pas compte des phénomènes de modulation. Les participants ressentent les vibrations dans leur ensemble, sans qu'une zone spécifique du corps soit particulièrement touchée. Un modèle linéaire a été développé pour estimer l'inconfort global, intégrant à la fois l'inconfort acoustique et vibratoire, mais uniquement pour les moteurs synchronisés. Pour les moteurs désynchronisés, seul l'inconfort vibratoire était pertinent. Le deuxième axe s'est penché sur la perception subjective et physiologique de l'inconfort vibratoire causé par des turbulences. Les résultats ont montré que l'ISO 2631-1 permettait d'estimer de manière adéquate l'inconfort vibratoire dans ces situations. De plus, des mesures physiologiques, pourraient être utilisées pour soutenir les évaluations subjectives.

Interrogation en phase par holographie au voisinage de singularités de phase de cristaux photoniques : applications à la réalisation de capteurs à haute sensibilité

Doctorant : Théo GIRERD

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

La demande de la part d’acteurs industriels et académiques pour des capteurs dépassant les limites de détection actuelles ne cesse de croître (détections de cancers, procédés industriels).
L’une des approches prometteuses pour obtenir de tels dispositifs repose sur l’utilisation de nano- transducteurs optiques dont les résonances sont sensibles aux variations de l’environnement (indice de réfraction, géométrie de la structure).
Le travail de cette thèse vise ainsi à concevoir et caractériser des dispositifs basés sur l’utilisation de modes optiques Tamm proches de points singuliers, en particulier les points de couplage critique, pour lesquels une variation extrêmement abrupte de la phase à la réflexion est obtenue. Pour se rapprocher au plus près de ces points et explorer expérimentalement la sensibilité en phase du capteur avec sa proximité aux points singuliers, nous avons développé une méthode originale basée sur la nanostructuration de la couche métallique du transducteur. L’élaboration d’un modèle analytique exprimant la sensibilité en phase en fonction de la proximité aux points de couplage critique nous a permis de mettre en exergue les paramètres clés de la structure et du système de mesures pour améliorer la sensibilité en phase de manière significative.
Afin de démontrer expérimentalement ces concepts, nous avons développé un interféromètre original qui permet, grâce à une mise en forme de faisceau assistée par holographie, de mesurer précisément la sensibilité en phase des transducteurs optiques. Nous démontrons ainsi que nos transducteurs nanostructurés associés à un système interférométrique adapté permettent la réalisation d’un capteur de température à très grande sensibilité.
Enfin, nous montrons qu’en adaptant les matériaux de notre transducteur (matériaux diélectriques poreux), le même concept peut être appliqué à des modes de Bloch de surface pour concevoir un capteur de gaz dont les sensibilités théoriques ouvrent la voie à la réalisation de capteurs de gaz à très faible concentration (< 100 ppb).

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.

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.

 

Evolution beyond substitutions: Computational modeling of the impact of chromosomal rearrangements on evolutionary dynamics

Doctorant : Paul BANSE

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 Informatique et mathématiques de Lyon

L'évolution telle qu'elle a été décrite par Darwin est un processus simple qui aboutit à une extrême complexité. En effet, étudier l'évolution biologique aujourd'hui correspond à étudier un phénomène allant d'échelles nanométriques à des échelles planétaires. En plus de cela, le processus est aussi affecté par des biais dus à la méthode d'écriture et de conservation de l'information. Finalement, il faut rappeler que chaque changement évolutif a pour origine une mutation, qui est un évènement aléatoire, et que la survie des mutants est, elle aussi, un processus aléatoire. Face à une telle complexité, il est nécessaire de réduire le champ d'étude pour espérer aboutir à une compréhension. Que ce soit avec des modèles expérimentaux, comme les boites de pétri, avec des modèles formels, comme les équations différentielles, ou avec des modèles computationnels, par exemple des simulations, toutes les simplifications sont bonnes à prendre pour décortiquer l'évolution. Parmi ces simplifications, il est courant de ne considérer que mutations. En particulier, ignorer les réarrangements chromosomiques, ces mutations qui réorganisent et réassemblent l'ADN et qui est souvent létales pour l'organisme qui les porte, est souvent considéré comme une simplification logique des modèles d'évolution. D'autant plus que jusqu'à récemment, les séquençages d'ADN réalisés n'étaient pas adaptés à les repérer. Dans cette thèse, nous allons montrer qu'en incluant les réarrangements, bien que les modèles obtenus soient plus complexes, il est possible d'en tirer une connaissance. Nous utiliserons des méthodes algorithmiques pour étudier le processus evolutif pour montrer que non seulement les réarrangements chromosomiques sont nécessaires pour soutenir l'évolution à long terme, puisqu’ils permettent une amélioration et de nouvelles opportunités d'évolution. Mais en plus, les comprendre permet d'expliquer simplement certaines dynamiques d’évolution par à-coups ainsi que la maintenance de segments non codants dans les génomes.

Détection, classification non-supervisée et investigation des mécanismes d'émission de multiplets acoustiques associés à la fissuration par fatigue

Doctorant : Théotime de LA SELLE

Laboratoire INSA : Mateis

Ecole doctorale :  ED34 : Matériaux de Lyon

Depuis la découverte des phénomènes de fatigue, la recherche scientifique n'a eu de cesse de chercher à comprendre et prévoir la rupture des matériaux engendrée par ces processus d'amorçage et de propagation de fissures sous l'effet de chargements variables. Ceux-ci ont été -et sont encore- la cause d'accidents et dysfonctionnements imprévus dans bon nombre de domaines techniques. Ce travail, combinant investigation du phénomène physique et son application en contrôle non destructif, s'intéresse aux groupes de signaux acoustiques que la fissuration par fatigue génère dans les métaux. Signatures d'une source unique, de tels ensembles de signaux similaires sont appelés "multiplets" acoustiques du nom du phénomène sismique analogue. Produits par des expérimentations de propagation de fissures de fatigue dans différents alliages, ces signaux émis en environnements bruités et enregistrés par un système d'émission acoustique sont détectés automatiquement par un algorithme dédié, regroupés en multiplets et étudiés pour en comprendre les mécanismes physiques dont ils sont issus. Par la synchronisation de leur détection avec la mesure par corrélation d'images numériques de grandeurs de mécanique de la rupture, l'investigation de ce phénomène d'émission acoustique montre que deux mécanismes sont à l'origine des multiplets : le frottement local répété des surfaces de rupture et la propagation incrémentale de la fissure dans le régime de Paris, probablement due à la réactivation de la plasticité en pointe de fissure à chaque cycle. La classification non-supervisée des multiplets permet en outre d'améliorer la détection initiale et de distinguer ces deux types uniquement à partir de l'information acoustique. Enfin, nous montrons que l'investigation de ce phénomène d'émission et la détection automatique de ces signaux de multiplets en milieu bruité peuvent être approfondie grâce à la fouille d'enregistrements acoustiques continus par apprentissage automatique.