Cogestion des ressources naturelles : une approche structurale pour quantifier la contribution des réseaux d'acteurs à la résilience des systèmes socio-écologiques

Alors que les activités anthropiques font basculer de nombreux écosystèmes vers des régimes fonctionnels différents, la résilience des systèmes socio-écologiques devient un problème pressant. Des acteurs locaux, impliqués dans une grande diversité de groupes — allant d’initiatives locales et indépendantes à de grandes institutions formelles — peuvent agir sur ces questions en collaborant au développement, à la promotion ou à l’implantation de pratiques plus en accord avec ce que l’environnement peut fournir. De ces collaborations répétées émergent des réseaux complexes, et il a été montré que la topologie de ces réseaux peut améliorer la résilience des systèmes socio-écologiques (SSÉ) auxquels ils participent. La topologie des réseaux d’acteurs favorisant la résilience de leur SSÉ est caractérisée par une combinaison de plusieurs facteurs : la structure doit être modulaire afin d’aider les différents groupes à développer et proposer des solutions à la fois plus innovantes (en réduisant l’homogénéisation du réseau), et plus proches de leurs intérêts propres ; elle doit être bien connectée et facilement synchronisable afin de faciliter les consensus, d’augmenter le capital social, ainsi que la capacité d’apprentissage ; enfin, elle doit être robuste, afin d’éviter que les deux premières caractéristiques ne souffrent du retrait volontaire ou de la mise à l’écart de certains acteurs. Ces caractéristiques, qui sont relativement intuitives à la fois conceptuellement et dans leur application mathématique, sont souvent employées séparément pour analyser les qualités structurales de réseaux d’acteurs empiriques. Cependant, certaines sont, par nature, incompatibles entre elles. Par exemple, le degré de modularité d’un réseau ne peut pas augmenter au même rythme que sa connectivité, et cette dernière ne peut pas être améliorée tout en améliorant sa robustesse. Cet obstacle rend difficile la création d’une mesure globale, car le niveau auquel le réseau des acteurs contribue à améliorer la résilience du SSÉ ne peut pas être la simple addition des caractéristiques citées, mais plutôt le résultat d’un compromis subtil entre celles-ci. Le travail présenté ici a pour objectifs (1), d’explorer les compromis entre ces caractéristiques ; (2) de proposer une mesure du degré auquel un réseau empirique d’acteurs contribue à la résilience de son SSÉ ; et (3) d’analyser un réseau empirique à la lumière, entre autres, de ces qualités structurales. Cette thèse s’articule autour d’une introduction et de quatre chapitres numérotés de 2 à 5. Le chapitre 2 est une revue de la littérature sur la résilience des SSÉ. Il identifie une série de caractéristiques structurales (ainsi que les mesures de réseaux qui leur correspondent) liées à l’amélioration de la résilience dans les SSÉ. Le chapitre 3 est une étude de cas sur la péninsule d’Eyre, une région rurale d’Australie-Méridionale où l’occupation du sol, ainsi que les changements climatiques, contribuent à l’érosion de la biodiversité. Pour cette étude de cas, des travaux de terrain ont été effectués en 2010 et 2011 durant lesquels une série d’entrevues a permis de créer une liste des acteurs de la cogestion de la biodiversité sur la péninsule. Les données collectées ont été utilisées pour le développement d’un questionnaire en ligne permettant de documenter les interactions entre ces acteurs. Ces deux étapes ont permis la reconstitution d’un réseau pondéré et dirigé de 129 acteurs individuels et 1180 relations. Le chapitre 4 décrit une méthodologie pour mesurer le degré auquel un réseau d’acteurs participe à la résilience du SSÉ dans lequel il est inclus. La méthode s’articule en deux étapes : premièrement, un algorithme d’optimisation (recuit simulé) est utilisé pour fabriquer un archétype semi-aléatoire correspondant à un compromis entre des niveaux élevés de modularité, de connectivité et de robustesse. Deuxièmement, un réseau empirique (comme celui de la péninsule d’Eyre) est comparé au réseau archétypique par le biais d’une mesure de distance structurelle. Plus la distance est courte, et plus le réseau empirique est proche de sa configuration optimale. La cinquième et dernier chapitre est une amélioration de l’algorithme de recuit simulé utilisé dans le chapitre 4. Comme il est d’usage pour ce genre d’algorithmes, le recuit simulé utilisé projetait les dimensions du problème multiobjectif dans une seule dimension (sous la forme d’une moyenne pondérée). Si cette technique donne de très bons résultats ponctuellement, elle n’autorise la production que d’une seule solution parmi la multitude de compromis possibles entre les différents objectifs. Afin de mieux explorer ces compromis, nous proposons un algorithme de recuit simulé multiobjectifs qui, plutôt que d’optimiser une seule solution, optimise une surface multidimensionnelle de solutions. Cette étude, qui se concentre sur la partie sociale des systèmes socio-écologiques, améliore notre compréhension des structures actorielles qui contribuent à la résilience des SSÉ. Elle montre que si certaines caractéristiques profitables à la résilience sont incompatibles (modularité et connectivité, ou — dans une moindre mesure — connectivité et robustesse), d’autres sont plus facilement conciliables (connectivité et synchronisabilité, ou — dans une moindre mesure — modularité et robustesse). Elle fournit également une méthode intuitive pour mesurer quantitativement des réseaux d’acteurs empiriques, et ouvre ainsi la voie vers, par exemple, des comparaisons d’études de cas, ou des suivis — dans le temps — de réseaux d’acteurs. De plus, cette thèse inclut une étude de cas qui fait la lumière sur l’importance de certains groupes institutionnels pour la coordination des collaborations et des échanges de connaissances entre des acteurs aux intérêts potentiellement divergents.

Maximum power point tracking techniques for photovoltaic systems: a comprehensive review and comparative analysis

Maximum Power Point Tracking (MPPT) is an important concern in Photovoltaic (PV) systems. As PV systems have a high cost of energy it is essential that they are operated to extract the maximum possible power at all times. However, under non-uniform environmental conditions, which frequently arise in the outdoor environment, many MPPT techniques will fail to track the global peak power. This review paper discusses conventional MPPT techniques designed to operate under uniform environmental conditions and highlights why these techniques fail under non-uniform conditions. Following this, techniques designed specifically to operate under non-uniform environmental conditions are analysed and compared. Simulation results which compare the performance of the common Perturb and Observe (P&O) method, the Particle Swarm Optimisation (PSO) and the Simulated Annealing (SA) MPPT approaches under non-uniform environmental conditions are also presented. The research presented in this review indicates that there is no single technique which can achieve reliable global MPPT with low cost and complexity and be easily adapted to different PV systems.

Quantum annealing of an ising spin-glass by Green's function Monte Carlo

We present an implementation of quantum annealing (QA) via lattice Green's function Monte Carlo (GFMC), focusing on its application to the Ising spin glass in transverse field. In particular, we study whether or not such a method is more effective than the path-integral Monte Carlo- (PIMC) based QA, as well as classical simulated annealing (CA), previously tested on the same optimization problem. We identify the issue of importance sampling, i.e., the necessity of possessing reasonably good (variational) trial wave functions, as the key point of the algorithm. We performed GFMC-QA runs using such a Boltzmann-type trial wave function, finding results for the residual energies that are qualitatively similar to those of CA (but at a much larger computational cost), and definitely worse than PIMC-QA. We conclude that, at present, without a serious effort in constructing reliable importance sampling variational wave functions for a quantum glass, GFMC-QA is not a true competitor of PIMC-QA.

Optimization through quantum annealing: theory and some applications

Quantum annealing is a promising tool for solving optimization problems, similar in some ways to the traditional ( classical) simulated annealing of Kirkpatrick et al. Simulated annealing takes advantage of thermal fluctuations in order to explore the optimization landscape of the problem at hand, whereas quantum annealing employs quantum fluctuations. Intriguingly, quantum annealing has been proved to be more effective than its classical counterpart in many applications. We illustrate the theory and the practical implementation of both classical and quantum annealing - highlighting the crucial differences between these two methods - by means of results recently obtained in experiments, in simple toy-models, and more challenging combinatorial optimization problems ( namely, Random Ising model and Travelling Salesman Problem). The techniques used to implement quantum and classical annealing are either deterministic evolutions, for the simplest models, or Monte Carlo approaches, for harder optimization tasks. We discuss the pro and cons of these approaches and their possible connections to the landscape of the problem addressed.

A common Tabu search algorithm for the global optimization of engineering problems

A novel common Tabu algorithm for global optimizations of engineering problems is presented. The robustness and efficiency of the presented method are evaluated by using standard mathematical functions and hy solving a practical engineering problem. The numerical results show that the proposed method is (i) superior to the conventional Tabu search algorithm in robustness, and (ii) superior to the simulated annealing algorithm in efficiency. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Estudo do annealing de traços de fissão em epídoto

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Obtenção de um ataque químico padrão, zona de annealing parcial e temperatura de fechamento para o epídoto através do método dos traços de fissão

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Jatrophidin I, a cyclic peptide from Brazilian Jatropha curcas L.: Isolation, characterization, conformational studies and biological activity

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Analog circuit synthesis performing fast Pareto frontier exploration and analysis through 3D graphs

This paper presents a technique for performing analog design synthesis at circuit level providing feedback to the designer through the exploration of the Pareto frontier. A modified simulated annealing which is able to perform crossover with past anchor points when a local minimum is found which is used as the optimization algorithm on the initial synthesis procedure. After all specifications are met, the algorithm searches for the extreme points of the Pareto frontier in order to obtain a non-exhaustive exploration of the Pareto front. Finally, multi-objective particle swarm optimization is used to spread the results and to find a more accurate frontier. Piecewise linear functions are used as single-objective cost functions to produce a smooth and equal convergence of all measurements to the desired specifications during the composition of the aggregate objective function. To verify the presented technique two circuits were designed, which are: a Miller amplifier with 96 dB Voltage gain, 15.48 MHz unity gain frequency, slew rate of 19.2 V/mu s with a current supply of 385.15 mu A, and a complementary folded cascode with 104.25 dB Voltage gain, 18.15 MHz of unity gain frequency and a slew rate of 13.370 MV/mu s. These circuits were synthesized using a 0.35 mu m technology. The results show that the method provides a fast approach for good solutions using the modified SA and further good Pareto front exploration through its connection to the particle swarm optimization algorithm.

Ordonnancement des opérations dans une unité d’extrusion

Les travaux de ce mémoire traitent du problème d’ordonnancement et d’optimisation de la production dans un environnement de plusieurs machines en présence de contraintes sur les ressources matérielles dans une usine d’extrusion plastique. La minimisation de la somme pondérée des retards est le critère économique autour duquel s’articule cette étude car il représente un critère très important pour le respect des délais. Dans ce mémoire, nous proposons une approche exacte via une formulation mathématique capable des donner des solutions optimales et une approche heuristique qui repose sur deux méthodes de construction de solution sérielle et parallèle et un ensemble de méthodes de recherche dans le voisinage (recuit-simulé, recherche avec tabous, GRASP et algorithme génétique) avec cinq variantes de voisinages. Pour être en totale conformité avec la réalité de l’industrie du plastique, nous avons pris en considération certaines caractéristiques très fréquentes telles que les temps de changement d’outils sur les machines lorsqu’un ordre de fabrication succède à un autre sur une machine donnée. La disponibilité des extrudeuses et des matrices d’extrusion représente le goulot d’étranglement dans ce problème d’ordonnancement. Des séries d’expérimentations basées sur des problèmes tests ont été effectuées pour évaluer la qualité de la solution obtenue avec les différents algorithmes proposés. L’analyse des résultats a démontré que les méthodes de construction de solution ne sont pas suffisantes pour assurer de bons résultats et que les méthodes de recherche dans le voisinage donnent des solutions de très bonne qualité. Le choix du voisinage est important pour raffiner la qualité de la solution obtenue. Mots-clés : ordonnancement, optimisation, extrusion, formulation mathématique, heuristique, recuit-simulé, recherche avec tabous, GRASP, algorithme génétique

A sequencing approach for creating new train timetables

Train scheduling is a complex and time consuming task of vital importance. To schedule trains more accurately and efficiently than permitted by current techniques a novel hybrid job shop approach has been proposed and implemented. Unique characteristics of train scheduling are first incorporated into a disjunctive graph model of train operations. A constructive algorithm that utilises this model is then developed. The constructive algorithm is a general procedure that constructs a schedule using insertion, backtracking and dynamic route selection mechanisms. It provides a significant search capability and is valid for any objective criteria. Simulated Annealing and Local Search meta-heuristic improvement algorithms are also adapted and extended. An important feature of these approaches is a new compound perturbation operator that consists of many unitary moves that allows trains to be shifted feasibly and more easily within the solution. A numerical investigation and case study is provided and demonstrates that high quality solutions are obtainable on real sized applications.

Metaheuristic approaches to the hybrid flow shop scheduling problem with a cost-related criterion

In the paper, the flow-shop scheduling problem with parallel machines at each stage (machine center) is studied. For each job its release and due date as well as a processing time for its each operation are given. The scheduling criterion consists of three parts: the total weighted earliness, the total weighted tardiness and the total weighted waiting time. The criterion takes into account the costs of storing semi-manufactured products in the course of production and ready-made products as well as penalties for not meeting the deadlines stated in the conditions of the contract with customer. To solve the problem, three constructive algorithms and three metaheuristics (based one Tabu Search and Simulated Annealing techniques) are developed and experimentally analyzed. All the proposed algorithms operate on the notion of so-called operation processing order, i.e. the order of operations on each machine. We show that the problem of schedule construction on the base of a given operation processing order can be reduced to the linear programming task. We also propose some approximation algorithm for schedule construction and show the conditions of its optimality.

Railway junction traffic control by heuristic methods

Traffic conflicts at railway junctions are very conmon, particularly on congested rail lines. While safe passage through the junction is well maintained by the signalling and interlocking systems, minimising the delays imposed on the trains by assigning the right-of-way sequence sensibly is a bonus to the quality of service. A deterministic method has been adopted to resolve the conflict, with the objective of minimising the total weighted delay. However, the computational demand remains significant. The applications of different heuristic methods to tackle this problem are reviewed and explored, elaborating their feasibility in various aspects and comparing their relative merits for further studies. As most heuristic methods do not guarantee a global optimum, this study focuses on the trade-off between computation time and optimality of the resolution.