Optimal Dynamic Routing for Urban Networks: a Mathematical Programming Approach with Complete Integration of Traffic Flow Features

Doctorante : Mme Niloofar SHAKOORI

Laboratoire : LICIT
Ecole doctorale : ED162 MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)
 

Urban transportation networks face increasing challenges from congestion and environmental impacts, necessitating a balance between system efficiency and environmental sustainability. Optimal routing strategies are essential but traditional Dynamic Traffic Assignment (DTA) models often fall short due to their reliance on triangular fundamental diagrams, which may not accurately represent urban traffic complexities. Moreover, existing frameworks generally prioritize travel time over environmental objectives like emissions, underscoring the need for a refined approach that integrates realistic traffic features with optimization frameworks addressing both efficiency and environmental impact.

This thesis advances System-Optimal Dynamic Traffic Assignment (SO-DTA) literature by introducing a Link Macroscopic Fundamental Diagram (MFD)-based traffic model to better represent urban traffic dynamics. This model is integrated within a Mathematical Programming (MMP) context using piecewise linear (PWL) functions, designed to optimize both total system travel time (TSTT) and total system emissions (TSE) in general networks. Furthermore, the framework rigorously incorporates the Vehicle Holding (VH) problem and the First-In-First-Out (FIFO) principles simultaneously. While literature often addresses VH and FIFO separately due to their complexities, including both enhances the operational effectiveness of DTA models.

Key contributions of this thesis include: (1) a novel link MFD-based traffic model that captures urban traffic dynamics more accurately, (2) integration within an MMP framework employing PWL approximations, (3) dual-objective optimization for TSTT and TSE, enhancing applicability in urban contexts, (4) refined NVH formulation within the PWL formulation of the link MFD-based traffic model, and (5) explicit integration of the FIFO principle to model operational effectiveness. Additionally, solution strategies, including rolling horizon techniques and path selection strategies, are proposed to address computational challenges and improve the scalability and performance of the proposed framework.

« Contrôle actif de l'ensemble roue-pneu pour la réduction de la transmission vibratoire solidienne »

Doctorant : Antoine CARVALHO

Laboratoire INSA : LaMCos

École doctorale :  ED162 MEGA

Avec l’essor des véhicules électriques, le bruit de roulement jusqu’alors masqué par d’autres sources de pollutions sonores émanantes des véhicules pose un réel problème de confort pour les passagers. La structure des véhicules, les pneumatiques ainsi que les systèmes de suspensions permettent d’atténuer certains effets indésirables du contact pneu-chaussée à hautes et basses fréquences. Cependant peu de solutions techniques sont déployées pour traiter les phénomènes vibratoires transmis par les ensembles montés entre 200 et 500 Hz. Cette thèse est construite autour de trois axes : l’approfondissement de la compréhension du comportement dynamique des assemblage roue-pneu, la mise au point et maitrise d’un set de dispositifs expérimentaux, la réalisation d’un système et d’une loi de contrôle permettant de diminuer les efforts transmis dans les moyeux. Des travaux effectués sur 4 différents dispositifs expérimentaux ont permis de minimiser les incertitudes liées à la dynamique évolutive de la structure à contrôler. Ceci permettant de mieux définir le champ d’action de la solution à proposer. Par le biais de ces résultats un réseau de transducteurs piézoélectriques, utilisés comme capteur et actionneurs, est proposé. Différentes solutions de contrôle robuste ont été étudiées, notamment une combinant du contrôle actif et un filtre modal spatial ainsi qu’une autre exploitant un contrôleur à mode glissant. Ces solutions ont d’abord été étudié numériquement puis elles ont été testées sur la structure à l’échelle 1:1. En parallèle de ces travaux, des études de robustesses des solutions proposés ont été réalisé. Le système de contrôle le plus avancé est finalement testé dans des conditions réalistes de fonctionnement avec un chargement, un contact avec le pneumatique assimilable à celui obtenu avec la chaussé et avec rotation de l’ensemble. Une atténuation des deux modes ciblés est obtenue pour différentes vitesses de rotation.

Caractérisation vibratoire de structures par méthodes inverses et mesures plein champ

Doctorant : Nicolas Madinier

Laboratoire INSA : LVA

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

Le développement de nouveaux matériaux alliant résistance mécanique et légèreté est un enjeu d'actualité dans de nombreux secteurs industriels. Afin de pouvoir utiliser ces matériaux, il est nécessaire de connaître leurs propriétés mécaniques. Pour les déterminer, des méthodes inverses analysant le comportement vibratoire de la structure peuvent être utilisées. Dans ce travail de thèse, deux méthodes sont utilisées : la Résolution Inverse (RI) et la Méthode des Champs Virtuels (MCV).
Dans un premier temps, les méthodes sont appliquées avec la déflectométrie optique, une méthode de mesure plein champ. L'utilisation de cette méthode de mesure avec les deux méthodes inverses permet d'obtenir des cartographies précises de la rigidité de flexion et de l'amortissement de la structure étudiée. La déflectométrie optique mesure les pentes du champ de déplacement. Une opération de gradient inverse permet de remonter au champ de déplacement. Afin de supprimer cette opération, le développement de formalismes sur les pentes de RI et de la MCV est proposé. Ces formalismes sont testés avec des simulations numériques puis une étude expérimentale est présentée.
Dans un second temps, une variante de la MCV est développée. Cette variante a pour but d'appliquer la méthode en hautes fréquences où RI et la MCV ne sont plus applicables. La Résolution Inverse Corrigée est une variante de RI qui a pour but d’appliquer la méthode dans les hautes fréquences.
La variante de la MCV qualifiée de Méthode des Champs Virtuels Adaptée en Fréquence consiste à déterminer à chaque fréquence la taille de l’intervalle d’intégration des intégrales du Principe des Travaux Virtuels (une forme faible de l'équilibre local sur laquelle se base la MCV). Elle est développée pour la poutre d'Euler-Bernoulli et la plaque de Love-Kirchhoff et est testée sur des données expérimentales pour identifier la rigidité de flexion complexe d'une plaque amortie localement.

 

« Advanced signal processing methods for source identification using references »

Doctorant : Muhammad Nabil Mustafa ALBEZZAWY

Laboratoire INSA : LVA

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

Les techniques de référence à rang réduit sont couramment employées pour résoudre les problèmes d’extraction de source et de resynchronisation de champs physiques, lorsque le nombre de références dépasse celui des sources incohérentes. Dans ce cas, la matrice inter-spectrale devient mal conditionnée, rendant la solution des moindres carrés invalide. Bien que la décomposition en valeurs singulières tronquée (DVST) soit utilisée pour résoudre ce problème, elle n'est valable que pour un bruit scalaire sur les références. De plus, il est difficile de définir un seuil de troncature lorsque les valeurs singulières diminuent progressivement. Cette thèse propose une solution nommée technique de référence maximale-cohérente (RMC), basée sur la recherche d’un ensemble de références virtuelles maximalement corrélées avec les mesures de champ. Cette technique est optimale, surtout en présence d’un bruit corrélé sur la référence. Cependant, elle nécessite également une troncature des valeurs propres, exigeant la connaissance ou l’estimation préalable du nombre de sources incohérentes, un problème inverse mal posé et peu étudié. La thèse présente trois méthodes d’énumération des sources applicables à toutes les techniques de référence : un test du rapport de vraisemblance contre le modèle saturé, une technique de bootstrap paramétrique et une approche de validation croisée. Une étude comparative basée sur des données numériques et expérimentales montre deux résultats importants. D'abord, le nombre de fenêtres spectrales utilisées affecte grandement la performance des trois méthodes, qui se comportent différemment selon ce nombre. Ensuite, le bootstrap paramétrique s’avère être la meilleure méthode en termes de précision et de robustesse par rapport au nombre de fenêtres utilisées. Enfin, la technique RMC accompagnée de bootstrap a été utilisée pour l’extraction de source et la resynchronisation de données réelles provenant d’expériences en laboratoire et d’un moteur électrique, fournissant de meilleurs résultats que la solution des moindres carrés et la DVST dans les mêmes conditions.

 

« Privacy-preserving communications for the IoT »

Doctorante : Samuel PÉLISSIER

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

Les dernières décennies ont été témoins de l'émergence et de la prolifération d'objets connectés, communément appelés Internet des Objets (IdO). Le développement rapide de nombreuses technologies et leur connexion en réseau s'accompagne de la génération d'un important volume de données, soulevant des préoccupations en matière de vie privée, en particulier dans des domaines sensibles tels que la santé ou les maisons connectées.

Dans cette thèse, nous exploitons les techniques d'apprentissage automatique (machine learning) pour explorer les problèmes liés à la vie privée des objets connectés via leurs protocoles réseau. Tout d'abord, nous étudions les attaques possibles contre LoRaWAN, un protocole longue distance et à faible coût d'énergie. Nous explorons la relation entre deux identifiants du protocole et montrons que leur séparation théorique peut être contrecarrée en utilisant les métadonnées produites lors de la connexion au réseau. En nous appuyant sur une approche multi-domaines (contenu, temps, radio), nous démontrons que ces métadonnées permettent à un attaquant d'identifier les objets connectés de manière unique malgré le chiffrement du trafic, ouvrant la voie au traçage ou à la ré-identification.

Nous explorons ensuite les possibles contremesures, en analysant systématiquement les données utilisées lors de ces attaques et en proposant des techniques pour les obfusquer ou réduire leur pertinence. Nous démontrons que seule une approche combinée offre une réelle protection. Par ailleurs, nous proposons et évaluons diverses solutions de pseudonymes temporaires adaptées aux contraintes de LoRaWAN, en particulier la consommation énergétique.

Enfin, nous adaptons notre méthodologie d'apprentissage automatique à DNS, un protocole largement déployé dans l'IdO grand public. À nouveau basées sur les métadonnées, notre attaque permet d'identifier les objets connectés, malgré le chiffrement du flux DNS-over-HTTPS. Explorant les contremesures potentielles, nous observons un non-respect des standards liés au padding, entraînant la compromission partielle de la vie privée des utilisateurs.
 

 

Characterization of the fiber-matrix interface fracture properties in long fiber composites

Doctorant : Hugo GIRARD

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Fiber-matrix interface in long fiber composite is a key aspect of global composite mechanical properties since it drives damage initiation and load transfer. Fiber-matrix interface debonding is usually the first type of damage that occurs when the composite is subjected to transverse loading. After initiation, the interface debonding propagates and often kinks into the matrix, leading to further critical defects for the structure. As a result, it is crucial to accurately characterize the fiber-matrix interface in order to prevent or control damage in composites. Going beyond existing experimental methods currently focused on interface shear fracture properties, single-fiber microcomposite tensile sample loaded transversely are developed to simultaneously characterize opening and shear fracture properties. An accurate experimental characterization of the fiber-matrix debonding process allowed the identification of the interface fracture properties using adequate 2D and 3D numerical approaches and related fracture models such as the Coupled Criterion (CC) and Cohesive Zone Models (CZM). Both the CC and the CZM are able to reproduce the experimentally observed debonding process in 2D, the 3D model being able to describe the free surface singularity. In 3D, the fracture property identification yields tensile strengths and critical energy release rates respectively slightly higher and in the same order of magnitude than those identified in 2D. The 3D model does not enable identifying the shear fracture properties, unlike in 2D. In 2D the optimal initiation crack shapes correspond to i) the stress isocontours for small brittleness numbers, ii) the energy-based shapes for large brittleness numbers and iii) neither of them for intermediate brittleness numbers. The 2D stress isocontours-based debonding shapes provide an accurate estimate of the initiation loading. In 3D, the optimum initiation crack always corresponds to energy-based debonding shapes and the 3D stress isocontours-based debonding shapes may thus overestimate the initiation loading by up to 30%.

 

Interactions rayonnement-atmosphère en milieu urbain : modélisation avancée et analyse de leurs effets sur le rafraîchissement

Doctorant : Félix SCHMITT

Laboratoire INSA : CETHIL

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

Avec l'urbanisation mondiale croissante et des vagues de chaleur de plus en plus intenses et fréquentes, la surchauffe urbaine a des conséquences délétères sur le confort et la santé des citadins. Prédire les conditions microclimatiques urbaines est dès lors crucial pour comprendre et atténuer cette surchauffe. Ce travail de thèse propose un modèle micro-météorologique avancé, capable de simuler les interactions entre rayonnement infrarouge thermique (IRT) et atmosphère urbaine à micro-échelle. Il s’agit du couplage entre un solveur CFD basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau et la simulation des grandes échelles, et un solveur IRT en milieu participant. Le solveur IRT est d’abord appliqué dans une rue canyon dont les parois sont plus chaudes que l'air. Les résultats montrent que le flux IRT moyen absorbé aux parois est surestimé de 4 à 12 W/m2 en considérant l'air comme transparent, pour un rapport d'aspect compris entre 0,75 et 2,4. Des simulations de convection mixte sont ensuite réalisées dans une rue canyon à échelle réduite, dont les parois sont chauffées, démontrant la capacité du solveur à reproduire les caractéristiques moyennes et turbulentes de l'écoulement mixte et des transferts de chaleur, par comparaison des solutions à des mesures en soufflerie. Enfin, des simulations micro-météorologiques couplées IRT- CFD dans une rue canyon à échelle réelle, sous des conditions météorologiques réalistes, sont effectuées afin d’évaluer l’impact des interactions IRT/air sur l’écoulement et le rafraîchissement de la rue après le coucher du soleil. Les résultats indiquent que l'écoulement mixte n’est pas affecté par les interactions. Le refroidissement moyen de surface est 4 à 8 % plus rapide avec les interactions. L'ensemble de ce travail conforte la pertinence d'un niveau de modélisation élevé dans une configuration de rue pour l'étude dynamique des microclimats urbains sous l'influence des interactions IRT/atmosphère.

Molecular dynamics simulation of semicrystalline polymers: from molecular topology to mechanical properties

Doctorant : Junxiong WANG

Laboratoire INSA : MateiS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Semi-crystalline polymers have attracted widespread attention due to their wide range of industrial applications, attractive mechanical properties, and good chemical resistance. Semi-crystalline polymers exhibit excellent mechanical properties due to their unique molecular structure (crystalline and amorphous phases overlapping each other). Topological molecules, like ties, loops, … and entanglements in amorphous phase, serve as stress transmitters and can be crucial to mechanical properties. However, these microstructures cannot be studied quantitatively experimentally, and the nonequilibrium process of crystallization and how the microstructure affects mechanical properties cannot be studied at the nanoscale. The dependence of the mechanical properties of semi-crystalline polymers on topology and entanglement has been explored using a coarse-grained model through molecular dynamics simulations. From cooling a melt, and after isothermal treatment, semi-crystalline polymers with lamellar structures were obtained with different entanglement densities and topologies. The strongest mechanical properties are shown when the tensile direction is highly consistent with the crystal chain orientation. And the system with a higher entanglement density has a smaller yield stress but a significant stress-hardening regime, indicating that high entanglement density effectively increases the stress-hardening effect. Additionally, the effect of different topologies on mechanical properties has been explored. Uniaxial tensile test results show that cilia have little effect on mechanical properties. The yield stress increases with the number of loops, showing that not only the loops but also the number of topologies has a strong influence on the mechanical properties. The tie molecules appear to have a slightly greater impact on the mechanical properties than the loops, manifesting in a slight strain softening effect. These results will enhance the understanding of the relationship between microstructure and mechanical properties of semicrystalline polymers.

New Approaches for the Construction of Ternary Solute/Solvent/Non-solvent Phase Diagrams and Applications in the Field of Nanoprecipitation

Doctorante : Yiping CHEN

Laboratoire INSA : IMP

École doctorale :  ED34 : Matériaux de Lyon

Nanoprecipitation (or solvent-displacement, Ouzo effect) process is a promising technique for straightforwardly producing colloids of controlled dimensions without recourse to surfactants or any high shearing force systems. Successful applications of the nanoprecipitation process crucially rely on the ability to construct the phase diagrams for the solute/solvent/nonsolvent ternary system of interest by identifying regions (SFME, Ouzo domain…) where the hydrophobic solute aggregates at the nanometer scale. Therefore, the main aim of this thesis is to develop robust methods to construct phase diagrams, to attempt at enlarging the Ouzo domain through cautiously-chosen additives, and finally to use thus constructed phase diagrams for precipitation of novel molecules, targeting potential applications in the biological field.
Combined fluorescence microscopy (FM) and dynamic light scattering (DLS) techniques were first used to construct phase diagrams containing pyrene as fluorescent indicator and surfactants as stabilizers in oil/solvent/water systems, respectively. It has been found that under the micrometer resolution FM, the pyrene-loaded nanodispersions appear black in the Ouzo domain (owing to their nanoscale dimensions). In DLS tests, adding a non-ionic surfactant, the Ouzo domain showed a monodisperse peak, with dI > dN and PDI < 0.15. Remarkably, the Ouzo domain identified by DLS was slightly larger than that obtained by FM owing to the introduction of surfactants. In a second approach, using the DLS technique, we studied the effect of adding specific surfactants (Brij 56, Enordet J3131, Cremophor EL) on the nanoprecipitation process. With miglyol oil, the Ouzo limit was shifted up to two decades, significantly enhancing the Ouzo domain. Finally, solid molecules such as antibiotics and fluorophores were used as solutes for nanoprecipitation. One specific antibiotic showed similar efficacy against various bacteria in molecular state or under nanoparticle form in vitro testing. Nanodispersions of high Tg fluorophores keep a good colloidal stability over a long period, and maintain their fluorescence activity upon dilution, making them good candidates as biomarkers.

Tribological study of metallic glasses and in situ temperature measurement by luminescence thermometry

Doctorant : Zhijian ZHOU

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Les verres métalliques reçoivent de plus en plus d'attention dans le domaine de la tribologie en raison de leur structure amorphe unique et de leurs propriétés mécaniques supérieures. Des études ont montré que, dans certaines conditions, la performance tribologique des verres métalliques peut surpasser celle des alliages traditionnels. Pour obtenir une compréhension plus complète de la manière dont les verres métalliques répondent à différentes conditions expérimentales, cette thèse commence par examiner le comportement tribologique et les mécanismes de frottement des verres métalliques à base de Ni et de Zr sous diverses pressions. Cependant, il a été noté dans la communauté que les propriétés mécaniques des verres métalliques deviennent très sensibles à la température près de leur température de transition vitreuse, qui varie largement en fonction de la composition. Ce phénomène influence les propriétés tribologiques du matériel. La mesure précise de la température locale dans les contacts tribologiques a historiquement été un défi. L'avènement de micro-sondes luminescentes sans contact a ouvert de nouvelles voies pour des mesures de température précises et non invasives en tribologie. Cette thèse applique par la suite une méthode de mesure de la température basée sur le temps de vie de la luminescence émise par des centres de défauts S3 excités à l'intérieur de micro-diamants aux contacts tribologiques secs des verres métalliques, en passant par toutes les étapes, y compris la fabrication de micro- sondes, la construction de bancs expérimentaux, le traitement des données, la comparaison avec thermocouple, la simulation utilisant la Méthode des Éléments Finis. Cette technique a le potentiel de mesurer avec précision la température dans les systèmes tribologiques.