L'Approximation diophantienne simultanée et l'optimisation discrète

Étant donnée une fonction bornée (supérieurement ou inférieurement) $f:\mathbb{N}^k \To \Real$ par une expression mathématique, le problème de trouver les points extrémaux de $f$ sur chaque ensemble fini $S \subset \mathbb{N}^k$ est bien défini du point de vu classique. Du point de vue de la théorie de la calculabilité néanmoins il faut éviter les cas pathologiques où ce problème a une complexité de Kolmogorov infinie. La principale restriction consiste à définir l'ordre, parce que la comparaison entre les nombres réels n'est pas décidable. On résout ce problème grâce à une structure qui contient deux algorithmes, un algorithme d'analyse réelle récursive pour évaluer la fonction-coût en arithmétique à précision infinie et un autre algorithme qui transforme chaque valeur de cette fonction en un vecteur d'un espace, qui en général est de dimension infinie. On développe trois cas particuliers de cette structure, un de eux correspondant à la méthode d'approximation de Rauzy. Finalement, on établit une comparaison entre les meilleures approximations diophantiennes simultanées obtenues par la méthode de Rauzy (selon l'interprétation donnée ici) et une autre méthode, appelée tétraédrique, que l'on introduit à partir de l'espace vectoriel engendré par les logarithmes de nombres premiers.

« Resolution Search » et problèmes d’optimisation discrète

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université d'Avignon.

Heuristic solution methods for multi-attribute vehicle routing problems

Le Problème de Tournées de Véhicules (PTV) est une clé importante pour gérér efficacement des systèmes logistiques, ce qui peut entraîner une amélioration du niveau de satisfaction de la clientèle. Ceci est fait en servant plus de clients dans un temps plus court. En terme général, il implique la planification des tournées d'une flotte de véhicules de capacité donnée basée à un ou plusieurs dépôts. Le but est de livrer ou collecter une certain quantité de marchandises à un ensemble des clients géographiquement dispersés, tout en respectant les contraintes de capacité des véhicules. Le PTV, comme classe de problèmes d'optimisation discrète et de grande complexité, a été étudié par de nombreux au cours des dernières décennies. Étant donné son importance pratique, des chercheurs dans les domaines de l'informatique, de la recherche opérationnelle et du génie industrielle ont mis au point des algorithmes très efficaces, de nature exacte ou heuristique, pour faire face aux différents types du PTV. Toutefois, les approches proposées pour le PTV ont souvent été accusées d'être trop concentrées sur des versions simplistes des problèmes de tournées de véhicules rencontrés dans des applications réelles. Par conséquent, les chercheurs sont récemment tournés vers des variantes du PTV qui auparavant étaient considérées trop difficiles à résoudre. Ces variantes incluent les attributs et les contraintes complexes observés dans les cas réels et fournissent des solutions qui sont exécutables dans la pratique. Ces extensions du PTV s'appellent Problème de Tournées de Véhicules Multi-Attributs (PTVMA). Le but principal de cette thèse est d'étudier les différents aspects pratiques de trois types de problèmes de tournées de véhicules multi-attributs qui seront modélisés dans celle-ci. En plus, puisque pour le PTV, comme pour la plupart des problèmes NP-complets, il est difficile de résoudre des instances de grande taille de façon optimale et dans un temps d'exécution raisonnable, nous nous tournons vers des méthodes approcheés à base d’heuristiques.

Lagrangian-informed mixed integer programming reformulations

La programmation linéaire en nombres entiers est une approche robuste qui permet de résoudre rapidement de grandes instances de problèmes d'optimisation discrète. Toutefois, les problèmes gagnent constamment en complexité et imposent parfois de fortes limites sur le temps de calcul. Il devient alors nécessaire de développer des méthodes spécialisées afin de résoudre approximativement ces problèmes, tout en calculant des bornes sur leurs valeurs optimales afin de prouver la qualité des solutions obtenues. Nous proposons d'explorer une approche de reformulation en nombres entiers guidée par la relaxation lagrangienne. Après l'identification d'une forte relaxation lagrangienne, un processus systématique permet d'obtenir une seconde formulation en nombres entiers. Cette reformulation, plus compacte que celle de Dantzig et Wolfe, comporte exactement les mêmes solutions entières que la formulation initiale, mais en améliore la borne linéaire: elle devient égale à la borne lagrangienne. L'approche de reformulation permet d'unifier et de généraliser des formulations et des méthodes de borne connues. De plus, elle offre une manière simple d'obtenir des reformulations de moins grandes tailles en contrepartie de bornes plus faibles. Ces reformulations demeurent de grandes tailles. C'est pourquoi nous décrivons aussi des méthodes spécialisées pour en résoudre les relaxations linéaires. Finalement, nous appliquons l'approche de reformulation à deux problèmes de localisation. Cela nous mène à de nouvelles formulations pour ces problèmes; certaines sont de très grandes tailles, mais nos méthodes de résolution spécialisées les rendent pratiques.

An adaptive neighborhood search algorithm for optimizing stochastic mining complexes

Les métaheuristiques sont très utilisées dans le domaine de l'optimisation discrète. Elles permettent d’obtenir une solution de bonne qualité en un temps raisonnable, pour des problèmes qui sont de grande taille, complexes, et difficiles à résoudre. Souvent, les métaheuristiques ont beaucoup de paramètres que l’utilisateur doit ajuster manuellement pour un problème donné. L'objectif d'une métaheuristique adaptative est de permettre l'ajustement automatique de certains paramètres par la méthode, en se basant sur l’instance à résoudre. La métaheuristique adaptative, en utilisant les connaissances préalables dans la compréhension du problème, des notions de l'apprentissage machine et des domaines associés, crée une méthode plus générale et automatique pour résoudre des problèmes. L’optimisation globale des complexes miniers vise à établir les mouvements des matériaux dans les mines et les flux de traitement afin de maximiser la valeur économique du système. Souvent, en raison du grand nombre de variables entières dans le modèle, de la présence de contraintes complexes et de contraintes non-linéaires, il devient prohibitif de résoudre ces modèles en utilisant les optimiseurs disponibles dans l’industrie. Par conséquent, les métaheuristiques sont souvent utilisées pour l’optimisation de complexes miniers. Ce mémoire améliore un procédé de recuit simulé développé par Goodfellow & Dimitrakopoulos (2016) pour l’optimisation stochastique des complexes miniers stochastiques. La méthode développée par les auteurs nécessite beaucoup de paramètres pour fonctionner. Un de ceux-ci est de savoir comment la méthode de recuit simulé cherche dans le voisinage local de solutions. Ce mémoire implémente une méthode adaptative de recherche dans le voisinage pour améliorer la qualité d'une solution. Les résultats numériques montrent une augmentation jusqu'à 10% de la valeur de la fonction économique.

An adaptive neighborhood search algorithm for optimizing stochastic mining complexes

Les métaheuristiques sont très utilisées dans le domaine de l'optimisation discrète. Elles permettent d’obtenir une solution de bonne qualité en un temps raisonnable, pour des problèmes qui sont de grande taille, complexes, et difficiles à résoudre. Souvent, les métaheuristiques ont beaucoup de paramètres que l’utilisateur doit ajuster manuellement pour un problème donné. L'objectif d'une métaheuristique adaptative est de permettre l'ajustement automatique de certains paramètres par la méthode, en se basant sur l’instance à résoudre. La métaheuristique adaptative, en utilisant les connaissances préalables dans la compréhension du problème, des notions de l'apprentissage machine et des domaines associés, crée une méthode plus générale et automatique pour résoudre des problèmes. L’optimisation globale des complexes miniers vise à établir les mouvements des matériaux dans les mines et les flux de traitement afin de maximiser la valeur économique du système. Souvent, en raison du grand nombre de variables entières dans le modèle, de la présence de contraintes complexes et de contraintes non-linéaires, il devient prohibitif de résoudre ces modèles en utilisant les optimiseurs disponibles dans l’industrie. Par conséquent, les métaheuristiques sont souvent utilisées pour l’optimisation de complexes miniers. Ce mémoire améliore un procédé de recuit simulé développé par Goodfellow & Dimitrakopoulos (2016) pour l’optimisation stochastique des complexes miniers stochastiques. La méthode développée par les auteurs nécessite beaucoup de paramètres pour fonctionner. Un de ceux-ci est de savoir comment la méthode de recuit simulé cherche dans le voisinage local de solutions. Ce mémoire implémente une méthode adaptative de recherche dans le voisinage pour améliorer la qualité d'une solution. Les résultats numériques montrent une augmentation jusqu'à 10% de la valeur de la fonction économique.

Polyphenol Extraction Optimisation From Ceylon Gooseberry (dovyalis Hebecarpa) Pulp.

Originally from Asia, Dovyalis hebecarpa is a dark purple/red exotic berry now also produced in Brazil. However, no reports were found in the literature about phenolic extraction or characterisation of this berry. In this study we evaluate the extraction optimisation of anthocyanins and total phenolics in D. hebecarpa berries aiming at the development of a simple and mild analytical technique. Multivariate analysis was used to optimise the extraction variables (ethanol:water:acetone solvent proportions, times, and acid concentrations) at different levels. Acetone/water (20/80 v/v) gave the highest anthocyanin extraction yield, but pure water and different proportions of acetone/water or acetone/ethanol/water (with >50% of water) were also effective. Neither acid concentration nor time had a significant effect on extraction efficiency allowing to fix the recommended parameters at the lowest values tested (0.35% formic acid v/v, and 17.6 min). Under optimised conditions, extraction efficiencies were increased by 31.5% and 11% for anthocyanin and total phenolics, respectively as compared to traditional methods that use more solvent and time. Thus, the optimised methodology increased yields being less hazardous and time consuming than traditional methods. Finally, freeze-dried D. hebecarpa showed high content of target phytochemicals (319 mg/100g and 1,421 mg/100g of total anthocyanin and total phenolic content, respectively).

Optimisation of environmental gas cleaning routes for solid wastes cogeneration systems - Part I - Analysis of waste incineration steam cycle

Research of advanced technologies for energy generation contemplates a series of alternatives that are introduced both in the investigation of new energy sources and in the improvement and/or development of new components and systems. Even though significant reductions are observed in the amount of emissions, the proposed alternatives require the use of exhaust gases cleaning systems. The results of environmental analyses based on two configurations proposed for urban waste incineration are presented in this paper; the annexation of integer (Boolean) variables to the environomic model makes it possible to define the best gas cleaning routes based on exergetic cost minimisation criteria. In this first part, the results for steam cogeneration system analysis associated with the incineration of municipal solid wastes (MSW) is presented. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Optimisation of environmental gas cleaning routes for solid wastes cogeneration systems. Part II - Analysis of waste incineration combined gas/steam cycle

In the first paper of this paper (Part I), conditions were presented for the gas cleaning technological route for environomic optimisation of a cogeneration system based in a thermal cycle with municipal solid waste incineration. In this second part, an environomic analysis is presented of a cogeneration system comprising a combined cycle composed of a gas cycle burning natural gas with a heat recovery steam generator with no supplementary burning and a steam cycle burning municipal solid wastes (MSW) to which will be added a pure back pressure steam turbine (another one) of pure condensation. This analysis aims to select, concerning some scenarios, the best atmospheric pollutant emission control routes (rc) according to the investment cost minimisation, operation and social damage criteria. In this study, a comparison is also performed with the results obtained in the Case Study presented in Part I. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Sensory evaluation and physicochemical optimisation of soy-based desserts using response surface methodology

The objective of this study was to develop a dessert that contains soy protein (SP) (1%, 2%, 3%) and guava juice (GJ) (22%, 27%, 32%) using Response Surface Methodology (RSM) as the optimisation technique. Water activity, physical stability, colour, acidity, pH, iron, and carotenoid contents were analysed. Affective tests were performed to determine the degree of liking of colour, creaminess, and acceptability. The results showed that GJ increased the values of redness, hue angle, chromaticity, acidity, and carotenoid content, while SP reduced water activity. Optimisation suggested a dessert containing 32% GJ and 1.17% SP as the best proportion of these components. This sample was considered a source of fibres, ascorbic acid, copper, and iron and garnered scores above the level of `slightly liked` for sensory attributes. Moreover, RSM was shown to be an adequate approach for modelling the physicochemical parameters and the degree of liking of creaminess of desserts. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Robust parameter settings of evolutionary algorithms for the optimisation of agricultural systems models

Numerical optimisation methods are being more commonly applied to agricultural systems models, to identify the most profitable management strategies. The available optimisation algorithms are reviewed and compared, with literature and our studies identifying evolutionary algorithms (including genetic algorithms) as superior in this regard to simulated annealing, tabu search, hill-climbing, and direct-search methods. Results of a complex beef property optimisation, using a real-value genetic algorithm, are presented. The relative contributions of the range of operational options and parameters of this method are discussed, and general recommendations listed to assist practitioners applying evolutionary algorithms to the solution of agricultural systems. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Sludge population optimisation: a new dimension for the control of biological wastewater treatment systems

The activated sludge comprises a complex microbiological community. The structure (what types of microorganisms are present) and function (what can the organisms do and at what rates) of this community are determined by external physico -chemical features and by the influent to the sewage treatment plant. The external features we can manipulate but rarely the influent. Conventional control and operational strategies optimise activated sludge processes more as a chemical system than as a biological one. While optimising the process in a short time period, these strategies may deteriorate the long-term performance of the process due to their potentially adverse impact on the microbial properties. Through briefly reviewing the evidence available in the literature that plant design and operation affect both the structure and function of the microbial community in activated sludge, we propose to add sludge population optimisation as a new dimension to the control of biological wastewater treatment systems. We stress that optimising the microbial community structure and property should be an explicit aim for the design and operation of a treatment plant. The major limitations to sludge population optimisation revolve around inadequate microbiological data, specifically community structure, function and kinetic data. However, molecular microbiological methods that strive to provide that data are being developed rapidly. The combination of these methods with the conventional approaches for kinetic study is briefly discussed. The most pressing research questions pertaining to sludge population optimisation are outlined. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in fish: optimisation and validation of microwave-assisted extraction

An accurate and sensitive method for determination of 18 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) (16 PAHs considered by USEPA as priority pollutants, dibenzo[a,l]pyrene and benzo[j]fluoranthene) in fish samples was validated. Analysis was performed by microwave-assisted extraction and liquid chromatography with photodiode array and fluorescence detection. Response surface methodology was used to find the optimal extraction parameters. Validation of the overall methodology was performed by spiking assays at four levels and using SRM 2977. Quantification limits ranging from 0.15–27.16 ng/g wet weight were obtained. The established method was applied in edible tissues of three commonly consumed and commercially valuable fish species (sardine, chub mackerel and horse mackerel) originated from Atlantic Ocean. Variable levels of naphthalene (1.03–2.95 ng/g wet weight), fluorene (0.34–1.09 ng/g wet weight) and phenanthrene (0.34–3.54 ng/g wet weight) were detected in the analysed samples. None of the samples contained detectable amounts of benzo[a]pyrene, the marker used for evaluating the occurrence and carcinogenic effects of PAHs in food.

OPTIMAX 2014 - Radiation dose and image quality optimisation in medical imaging

Medical imaging is a powerful diagnostic tool. Consequently, the number of medical images taken has increased vastly over the past few decades. The most common medical imaging techniques use X-radiation as the primary investigative tool. The main limitation of using X-radiation is associated with the risk of developing cancers. Alongside this, technology has advanced and more centres now use CT scanners; these can incur significant radiation burdens compared with traditional X-ray imaging systems. The net effect is that the population radiation burden is rising steadily. Risk arising from X-radiation for diagnostic medical purposes needs minimising and one way to achieve this is through reducing radiation dose whilst optimising image quality. All ages are affected by risk from X-radiation however the increasing population age highlights the elderly as a new group that may require consideration. Of greatest concern are paediatric patients: firstly they are more sensitive to radiation; secondly their younger age means that the potential detriment to this group is greater. Containment of radiation exposure falls to a number of professionals within medical fields, from those who request imaging to those who produce the image. These staff are supported in their radiation protection role by engineers, physicists and technicians. It is important to realise that radiation protection is currently a major European focus of interest and minimum competence levels in radiation protection for radiographers have been defined through the integrated activities of the EU consortium called MEDRAPET. The outcomes of this project have been used by the European Federation of Radiographer Societies to describe the European Qualifications Framework levels for radiographers in radiation protection. Though variations exist between European countries radiographers and nuclear medicine technologists are normally the professional groups who are responsible for exposing screening populations and patients to X-radiation. As part of their training they learn fundamental principles of radiation protection and theoretical and practical approaches to dose minimisation. However dose minimisation is complex – it is not simply about reducing X-radiation without taking into account major contextual factors. These factors relate to the real world of clinical imaging and include the need to measure clinical image quality and lesion visibility when applying X-radiation dose reduction strategies. This requires the use of validated psychological and physics techniques to measure clinical image quality and lesion perceptibility.