Theoretical foundations of planning in partially observable stochastic games

Doctorant : Aurélien DELAGE

Laboratoire INSA : CITI
École doctorale : ED512 : InfoMaths (Informatique et Mathématiques de Lyon)

Une théorie récente suggère de reformuler les POSG à gain commun en des problèmes non observables via l’introduction d’une statistique suffisante appropriée, ce qui offre des leviers supplémentaires pour rechercher des plans optimaux. Montrer que le principe d’optimalité de Bellman s’applique sur le jeu non-observable permet l’application d’algorithmes efficaces conçus pour les jeux complètement observables (tels que heuristic search value iteration). Les algorithmes exploitant les leviers découverts (par exemple la division des problèmes en sous-problèmes; la généralisation des connaissances entre les sous-problèmes) offrent une garantie de convergence théorique et des résultats compétitifs sur le plan empirique. Cependant, bien que cette approche ait réussi dans des sous-classes de jeux stochastiques partiellement observables à somme nulle et à deux joueurs (zs-POSG), comment l’appliquer dans le cas général reste une question ouverte. De plus, reformuler le problème original en un problème non-observable introduit des problèmes de décision à chaque étape, dont les complexités temporelle et mémorielle deviennent prohibitives pour les jeux de grande envergure. Dans la première contribution de ce manuscrit, nous abordons la première préoccupation et proposons pour la première fois un solveur de type heuristic search value iteration dont nous démontrons qu’il converge vers une solution ε-optimale en temps fini pour n’importe quel zs-POSG. Cela ouvre la voie à une nouvelle famille d’approches prometteuses et complémentaires à celles reposant sur la programmation linéaire ou les méthodes itératives. Dans une deuxième contribution de ce manuscrit, nous examinons des jeux impliquant n joueurs et en supposant (i) qu’ils partagent tous la même fonction de récompense et (ii) que les joueurs sont organisés selon une structure de connaissance hiérarchique (c.-à-d. chaque agent sait ce que son subordonné sait, et ainsi de suite). Nous montrons qu’une spécialisation du schéma algorithmique point-based value iteration tire efficacement parti des leviers offerts par cette sous-classe. Ce travail ouvre la voie à de multiples extensions de la structure hiérarchique proposée tout en conservant le passage à l’échelle du schéma algorithmique proposé. Dans la dernière contribution de ce manuscrit, nous présentons une contribution connexe, bien qu’annexe, aux problèmes d’optimisation min-max avec des propriétés de continuité faibles.
 

Eco-friendly nanoimprinting of TiO2 nanostructures for photonic biosensor application

Doctorante : Huiru REN

Laboratoire INSA : INL
École doctorale : EDA160 : EEA (Électronique, Électrotechnique, Automatique)

Cette thèse vise principalement à développer un procédé à faible impact environnemental pour la fabrication de dispositifs photoniques visant une application d'analyse biomoléculaire à usage unique. Le matériau et le procédé doivent donc offrir de bonnes propriétés optiques pour la biodétection : indice de réfraction élevé, bonne transparence, bonne reproductibilité à l'échelle nanométrique. La stratégie de cette thèse est basée sur la mise au point de dispositifs à des cristaux photoniques dans une couche d'oxyde de titane, fabriqués par une technologie "verte" à fort potentiel : la nanoimpression de sol- gel. Deux voies différentes sont étudiées, la nanoimpression thermique et un processus de soft-NIL.

 

 

Vibration-based damage assessment of rolling element bearings: cage cyclostationarity & trend analysis

Doctorant : Adrien MARSICK

Laboratoire INSA : LVA

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Cette thèse aborde le thème de l'estimation de la gravité des défauts de roulements à partir de signaux vibratoires. Cette tâche, compliquée pour des machines opérantes dans des conditions stationnaires, devient un réel défi dès que les systèmes à surveiller fonctionnent à vitesses et chargements variables. Cette thèse s'inscrit principalement dans un contexte de surveillance de la ligne d'arbre d'éoliennes de l'entreprise Engie Green, partenaire de ce projet. Ce rapport explore deux thématiques pour une meilleure exploitation des signaux vibratoires, avec l'objectif d'aider aux prises de décisions de maintenance. Premièrement, les outils de traitement du signal classiques reposent sur une hypothèse de cyclicité des propriétés statistiques des signatures de défauts par rapport à la rotation des arbres supportant les roulements. Les phénomènes de glissement lors du fonctionnement dégradent les capacités des outils existants. Ce travail propose de lever ce verrou grâce à une réinterprétation de ces propriétés cyclostationnaires en changeant le référentiel de rotation, de l'arbre vers la rotation de la cage. Les causes de ce glissement sont d'abord étudiées. Armé de méthodes d'estimation de la vitesse de rotation de la cage, une méthode de restauration des propriétés cyclostationnaires est proposée. Fort de cette restauration, une adaptation des techniques de moyennage synchrone au cas des roulements est étudiée. Deuxièmement, l'estimation de la dégradation repose sur la capacité à suivre finement l'évolution de différents indicateurs. À ce titre, il manque cruellement d'outils permettant le traitement de séries de signaux vibratoires, la plupart étant centrés sur l'analyse séparée de chaque signal. Les statistiques de rang offrent un cadre robuste et non-paramétrique pour l'analyse de tendance. En se basant sur le test de Mann-Kendall, deux outils sont proposés pour répondre à deux problématiques de la surveillance vibratoire : la sélection de bande informative fréquentielle et l'analyse spectrale.

Nonlinear    rotordynamics    of    a    vibroflot    and    granular    soil interactions during vibro compaction

Doctorant : Florian TEZENAS DU MONTCEL

Laboratoire INSA : LaMCos

École doctorale : ED162 : Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Vibro compaction is a ground improvement technique which aims to deeply densify sandy soil in order to make stable future infrastructure built on it. Loose soil can be compacted through insertion of vibrating probes, called vibroflots, together with a large volume of water. This enables the sand particles to rearrange themselves in a denser formation and thus increases the overall density of the soil.
Since its invention in the 1930s, the vibro compaction knowledge is mainly based on empirical operational experience, but not on well-founded scientific studies based around fundamentals. This work aims at better understanding how the vibroflot behaves underground and at globally improve the efficiency of the technique. To do so, experimentation and numerical modelling are both implemented.
During site trials the whole process is instrumented to measure the vibroflot - soil system dynamics, which allow to understand the different phenomena involved during compaction. Many geotechnical tests, combined with different sets of execution parameters, permit to quantify soil improvement and define the influence of these parameters, judge the relevancy of geotechnical correlations and get soil parameters which are useful for numerical modelling. Indeed, a multi- physics numerical model is created to predict the dynamic behaviour of the vibroflot in interaction with a granular soil. Models of the induction motor, multi-rotor and soil are strongly coupled but do not predict the compaction rate: the objective is to study the vibroflot dynamics rather than the compaction phenomenon. Key parts of the vibroflot, the dynamic properties of the rubber couplings are determined experimentally and numerically. Simple analytical formulations of the equivalent stiffness and damping parameters are then used in the numerical model. Finally, predicted responses are compared to the measurements collected on site.

   

 

Étude des sources de pertes et des transferts thermiques au sein de paliers à éléments roulants

Doctorant : Florian DE CADIER DE VEAUCE

Laboratoire INSA : LAMCOS

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)

La transition vers des véhicules électriques impose des vitesses toujours plus élevées au sein des transmissions mécaniques, entraînant davantage de pertes, principalement au niveau des paliers à éléments roulants. Afin d'améliorer l'efficacité énergétique des transmissions mécaniques, en particulier des roulements à billes, une compréhension approfondie des phénomènes physiques associés s'avère essentielle. Le présent travail de thèse se concentre sur l'étude des sources de pertes et des transferts thermiques au sein d'un roulement à billes. Les pertes et les températures de deux roulements à billes sont mesurées pour différentes conditions opératoires. Dans un premier temps, les roulements sont lubrifiés par injection. L'influence de plusieurs paramètres, tels que la vitesse de rotation, le débit et la température de l'huile injectée, sur les dissipations de puissance est analysée. Une modélisation thermo-mécanique du roulement est proposée en associant des modèles de calcul des pertes et un réseau thermique. Dans un second temps, les roulements sont lubrifiés par barbotage. Pour une hauteur faible du bain d'huile, les pertes générées sont égales à celles obtenues pour ces mêmes roulements lubrifiés par injection dans des conditions opératoires similaires. Pour des niveaux d'huile plus élevés, le comportement du bain change, entraînant une augmentation des pertes par traînée. Les modèles actuels ne prennent pas en compte la hauteur du bain et un nouveau modèle de pertes par traînée est donc proposé. Les échanges et les écoulements n'étant pas les mêmes entre les deux modes de lubrification, des modifications ont également été apportées au réseau thermique. Les résultats numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux. Une modélisation locale du roulement permet d'avoir une bonne précision sur les valeurs de pertes et de températures prédites, mais nécessite une connaissance de la géométrie interne du roulement. Tandis que les modèles globaux nécessitent un minimum d'information.

Des graphes de propriétés aux graphes de connaissances

Doctorant : Julian BRUYAT

Laboratoire INSA : LIRIS

École doctorale : ED512 : InfoMaths de Lyon

Les graphes de propriétés et les graphes RDF sont deux familles populaires de base de données graphe. Néanmoins, malgré le fait qu'elles soient toutes les deux basées sur la notion de graphe, ces deux familles ne sont pas interopérables. Les graphes de propriétés sont une famille d'implémentations de base de données très flexible, où des propriétés peuvent être rattachées aux noeuds et aux arcs du graphe. La seconde est un modèle standardisé de description de connaissances, reposant sur des vocabulaires partagés entre tous les graphes RDF. Dans cette thèse, nous définissons des méthodes pour permettre une interopérabilité sémantique entre graphes de propriétés et graphes RDF configurée à travers un « contexte » fourni par l'utilisateur. La première méthode est une méthode bas niveau, compatible avec n'importe quel graphe de propriétés. La seconde méthode est une méthode haut niveau, reposant sur la notion de schéma de graphe de propriétés, et pour laquelle la réversibilité de certains contextes est étudiée formellement. Enfin, pour faciliter l'écriture des « contextes » en RDF, et plus généralement de n'importe quel document RDF, nous proposons une méthode d’auto- complétion basée sur les vocabulaires de schémas RDF existants.

Proposition et mise en œuvre d'une topologie d'onduleur multifonctionnel à tension de bus régulée pour la traction électrique

Doctorant : Antoine SABRIE

Laboratoire INSA : Ampère

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Dans le cadre de la traction électrique pour les véhicules routiers, il est indispensable de recourir à des onduleurs dont le rôle est de convertir l’énergie électrique entre une source de stockage continue de type batterie et la charge alternative que représente une machine électrique triphasée. Idéalement, cette conversion devrait se faire sans perte de tension. En pratique, il apparaît inévitablement une limitation de la tension avec laquelle un onduleur est capable d’alimenter une machine électrique. Pour bienanalyser cette limitation, nous avons proposé une modélisation fine des chutes de tension de l’onduleur afin de permettre une estimation analytique rapide et fidèle. Les résultats expérimentaux valident le modèle proposé dans la quasi-totalité de points de fonctionnement atteignable. Une solution utilisée industriellement pour palier à cette limitation de l’onduleur est d’ajouter un convertisseur DC - DC élévateur. L’inconvénient de cette solution est qu’elle introduit un deuxième étage pouvant impacter le rendement global et la fiabilité de la chaîne de traction. Ces dernières années, des architectures d’onduleur élévateur en un étage de conversion sont proposées dans la littérature. L’une de ces architectures est apparue et présente des avantages compétitifs par rapport à ses homologues. Il s’agit de l’onduleur à Split Source (SSI). Néanmoins, nous avons montré que ce convertisseur est incompatible à la traction électrique due principalement au manque de réversibilité et à une perte de degré de liberté pour le pilotage de la charge. Par la suite, nous avons proposé une nouvelle architecture triphasée et réversible basée sur le convertisseur SSI, appelée B-ASSI, qui est compatible à l’application visée. L’analyse et la modélisation du convertisseur B-ASSI sont réalisées. Une modulation pour son pilotage, ainsi qu’une stratégie de contrôle de sa tension de bus sont développées. Enfin, le B-ASSI est construit et testé expérimentalement par une preuve de concept de quelques 𝑘𝑘𝑘𝑘. Après avoir étudié les performances du B-ASSI vis-à-vis des architectures existantes, nous nous intéressons à la possibilité d’introduire une fonctionnalité d’abaissement de la tension d’alimentation du B-ASSI. Nous montrons que cela permet d’améliorer les formes d’ondes alimentant la machine, réduire les oscillations de couple utile, améliorer le rendement de la machine, et réduire la montée en températuredu convertisseur. Finalement, une extension du B-ASSI permettant l’abaissement de sa tension de bus est proposée et étudiée. Une première validation en simulation et expérimentale valident le principe de fonctionnement.

 

Étude du comportement thermomécanique des roulements à billes faiblement chargés

Doctorant : Lionel DARUL

Laboratoire INSA : LaMCoS

École doctorale :ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)

Les roulements entraînent des pertes de puissance non négligeables. La chaleur générée se dissipe dans les différents éléments du système et impacte à nouveau les pertes de puissance. Ce couplage, entre pertes et thermique, doit donc être pris en compte afin d’avoir une prédiction satisfaisante du comportement du roulement. Cette étude s’intéresse à des conditions de fonctionnement particulières : vitesse de rotation modérée (produit N.d_m<10^6), charge appliquée faible (<5% de la charge statique du roulement) et lubrification par injection de faibles débits d’huile (≤15L/h ). Pour ces conditions, les travaux menés dans la littérature ne permettent pas une estimation et une compréhension satisfaisante du comportement thermomécanique du roulement.
Ces travaux de thèse développent un nouveau modèle thermomécanique de roulement à billes. La thermique est modélisée à l’aide de la méthodologie des réseaux thermiques. Les pertes de puissances sont modélisées à partir de considérations tribologiques. Les modèles développés sont comparés à des mesures expérimentales, réalisées sur un banc d’essai dédié. Ce dernier permet de mesurer le couple de pertes généré par un roulement, tout en contrôlant un certain nombre de paramètres (vitesse, débit, charge). Les températures des bagues du roulement sont également mesurées, afin de maîtriser le comportement thermique.
Il résulte de cette étude que, pour les conditions étudiées, les pertes de puissance dans les roulements à billes sont principalement dues à un phénomène de roulement hydrodynamique. La compréhension de ce phénomène permet notamment d’expliquer l’origine des pertes de puissance indépendantes de la charge, telles que définies dans le modèle de Harris. Concernant la thermique du roulement, l’étude met en avant l’importance de la température des billes, notamment sur les phases de démarrage. En conclusion, le modèle développé permet une prédiction des pertes de puissance à 5% d’erreur et une prédiction des températures des éléments du roulement à ±1-2°C.

De la transparence des graphes de connaissances à un cadre général pour la définition de mesures d'évaluation

Doctorante : Jennie ANDERSEN

Laboratoire INSA : LIRIS

École doctorale : ED512 Infomaths (Informatique et Mathématiques de Lyon)

De nombreux graphes de connaissances (KG) sont disponibles sur le Web, et il peut être difficile de décider avec lequel travailler. Au-delà de la pertinence du domaine et du contenu, l'utilisation de standards, l'identification des créateurs... peuvent également influencer ce choix. En effet, la mise à disposition de toujours plus de données s'accompagne d’attentes supplémentaires en termes de qualité et de transparence.
Pour aider les utilisateurs à choisir un KG plutôt qu'un autre, nous voulons fournir une estimation de la transparence des KG. Les informations liées à la transparence sont essentielles pour renforcer la confiance dans les données et favoriser leur réutilisation. Cependant, il n’existe pas de définition consensuelle de la transparence. Pour mieux la comprendre, nous explorons tout d'abord cette notion et ses concepts associés (accessibilité, vérifiabilité...). Face à l’absence d'exigences précises concernant la transparence, nous nous concentrons ensuite sur un concept proche, et proposons une mesure de « l’accountability » des KG. Nous utilisons notre mesure pour évaluer des centaines de KGs disponibles via des SPARQL endpoints. Enfin, nous comparons notre mesure avec d'autres mesures pour les KG sur la qualité des données et les principes FAIR.
Ces comparaisons mettent en évidence des spécificités et des points communs pour ces multiples mesures. Aussi, choisir la mesure appropriée pour évaluer les KG dans le cadre d'une tâche donnée n’est pas aisé, d’autant plus qu'elles sont décrites de manières variées. Puisque beaucoup reposent sur une structure hiérarchique, nous proposons de définir une base formelle pour décrire les mesures dans un cadre commun. Nous souhaitons ainsi faciliter leur compréhension, leur réutilisation, leur comparaison et leur partage en définissant des opérateurs permettant de les manipuler, soit pour en créer de nouvelles, soit pour les comparer. Nous prolongeons ce cadre en proposant une application web.

Méthode de détection et de diagnostic des attaques de blocage dans les systèmes manufacturiers flexibles incertains

Doctorant : Amaury BEAUDET

Laboratoire INSA : Ampère

École doctorale : ED160 : EEA

Les systèmes manufacturiers flexibles (FMSs en anglais) sont conçus avec l’objectif de pouvoir réaliser différentes recettes en parallèle en utilisant conjointement des ressources flexibles et un superviseur allouant ces ressources aux différentes recettes en cours. Par conception, un FMS évolue dans un environnement critique, en présence d’états d’allocation des ressources bloquants pour la réalisation des recettes, et incertain, en raison d’évènements imprévus conduisant à l’indisponibilités temporaire des ressources. Au sein des FMSs modernes, l’utilisation pour l’allocation des ressources de composants de contrôle hautement interconnectés entre eux et avec des réseaux internet ouverts a rendu ces systèmes vulnérables aux cyber-attaques. Aux origines de ces cyber- attaques, différents profils d’attaquant peuvent être distingués selon leurs objectifs, leurs origines, leurs compétences et leurs moyens.
Ainsi, bien qu’un FMS soit initialement construit pour faire face aux états de blocage et aux indisponibilités de ressources, un profil d’attaquant expert pourrait être capable de manipuler les décisions d’allocation et les disponibilités des ressources pour conduire ce FMS dans un état de blocage ciblé. A partir de cette observation, la problématique de recherche suivante émerge : Au sein du contexte incertain des FMSs, comment diagnostiquer correctement l’origine, naturelle ou malveillante, d’un état de blocage détecté et identifier le profil d’attaquant à l’origine de l’attaque ?
En réponse à cette problématique, nous proposons trois contributions principales. Premièrement, les attaques de blocage et les profils d’attaquant sont définis et modélisés dans un contexte certain afin de structurer le développement d’un module de diagnostic de ces derniers. Puis, ce module est étendu au contexte incertain des FMS au sein duquel l’indisponibilité des ressources est prise en compte et peut être manipulée par un attaquant. Enfin, ce module de diagnostic est implémenté sur une plateforme manufacturière expérimentale afin d’être évalué.