Recherche

L'équipe CROCUS du LSTI a pour thème de recherche fédérateur l'exploration et l'optimisation des grands codes de calcul, à travers diverses problématiques (propagation d'incertitudes, calage, optimisation).


Cette thématique est compacte et correspond à des enjeux interdisciplinaires forts dans le monde de l’entreprise et celui de la recherche. Elle mobilise les compétences de tous les membres de l’équipe (probabilités, statistiques, optimisation, méthodes numériques). Elle s’applique à de nombreux domaines industriels et scientifiques, si bien qu’elle est également de nature à favoriser les collaborations entre CROCUS et le reste de l’Ecole. Elle se décline notamment à travers deux projets de recherche, DICE et OMD, auxquels sont liés plusieurs thèses. Ces projets de recherche sont fortement reliés entre eux, de façon à créer autour d’eux une synergie entre les acteurs industriels ou académiques, et une bonne cohésion scientifique de l’équipe.


Une présentation synthétique de CROCUS.
Plus de détails dans le rapport d'activité 2005-2009 (bilan avec liste de publications)...
Plus de détails sur nos projets 2010-2013...

Thématique de recherche

Des modèles numériques sophistiqués se sont imposés en tant qu’aide à la décision dans la plupart des domaines industriels tels que la construction automobile, l’aéronautique, le nucléaire ou l’extraction d’hydrocarbures. Ces modèles sont d’utilisation coûteuse en temps de calcul (une simulation pouvant prendre plusieurs jours), d'autant plus qu'ils doivent être couplés entre eux pour la conception de produits complexes comme un avion ou une centrale nucléaire.


Les opérations classiques liées à l’utilisation de ces simulateurs sont le calage de paramètres par calcul inverse, la propagation d’incertitudes par des méthodes de Monte Carlo et l’optimisation de procédés ou de produits. Tous ces usages nécessitent un grand nombre de simulations (des centaines, voire des milliers) et sont impossibles à réaliser directement.


Le temps d'exécution des simulateurs est ainsi une entrave majeure à leur pleine utilisation. L'accroissement de la puissance des ordinateurs ne résout pas ce problème car l'expérience des vingt dernières années prouve que la complexité des modèles numériques croît au moins aussi vite que la vitesse des ordinateurs.


La solution vers laquelle s’oriente le monde de l’industrie et la communauté scientifique est un ensemble de techniques consistant à compléter les simulateurs ou systèmes de simulateurs par des méta-modèles dont le temps d’exécution est significativement moindre.


Ces méta-modèles sont obtenus avec seulement un nombre limité de simulations bien choisies. Il s'agit d'une problématique de plans d'expériences. Les méthodes d'estimation de la surface de remplacement doivent être adaptées au contexte, via des méthodes d'interpolation ou d’approximation ad hoc élaborées (splines, réseaux de neurones, krigeage…). Une estimation réaliste de l'erreur faite avec la surface de remplacement est un des objectifs poursuivis. L’utilisation de ces méthodes en grande dimension est un réel challenge technique.

Thèses pilotées par CROCUS en cours

Les thèses dont CROCUS forme l'encadrement principal sont indiquées ci-après. On pourra noter que ces thèses sont presque exclusivement financées sur ressources propres.


Nicolas Durrande : réduction de dimension et krigeage additif. Co-direction : Olivier Roustant, Rodolphe Le Riche et Laurent Carraro. Période de thèse : 2009-2011.


Bertrand Gauthier : Application des techniques d'analyse fonctionnelle à l'analyse robuste de grands codes de calculs industriels. Direction : Laurent Carraro; co-direction : Alain Largillier. Période de thèse : octobre 2007 – 2010. Projet de rattachement : DICE.


Victor Picheny : Propagation d’incertitudes dans les grands codes de calcul modélisés par surfaces de réponses (thèse en co-tutelle avec l'université de Floride). Direction : Raphaël Haftka (Distinguished Professor université de Floride), Grigory Panasenko (Professeur université Jean Monnet), Alain Vautrin (Professeur ENSM-SE); co-direction : Olivier Roustant. Période de thèse : novembre 2005 – 2009. Projets de rattachement : DICE et OMD.


David Ginsbourger : Multiples métamodèles pour l'optimisation de fonctions numériques multivariables chères à évaluer. Direction : Laurent Carraro, Anestis Antoniadis (Professeur université J. Fourier); co-direction : Olivier Roustant, Rodolphe Le Riche. Période de thèse : novembre 2005 – 2008. Projet de rattachement : DICE.


Jessica Franco : Propagation des incertitudes et résolution du problème inverse au travers de gros codes de calcul simulant des phénomènes complexes (convention CIFRE avec TOTAL). Direction : Laurent Carraro, Georges Oppenheim (Professeur université d’Orsay); co-direction : Xavier Bay, Bernard Guy (géochimiste ENSM-SE). Période de thèse : novembre 2005 – 2008. Projet de rattachement : DICE.

Projet DICE « Deep Inside Computer Experiments »

Le Consortium DICE (Deep Inside Computer Experiments) réunit universitaires, industriels et institutions publiques pour avancer sur les thèmes de l'exploration et de l'optimisation sur des codes de calcul en présence d'incertitudes. Il est piloté par 3MI (L. Carraro).



Période : 2006 - 2009


Contexte et objectifs


Développer une méthodologie efficace basée sur les surfaces de réponse et les plans d’expériences numériques pour le calage de grands codes industriels, la propagation d'incertitudes à travers ces codes, et l’utilisation de ces codes pour des tâches d’optimisation. Application aux codes utilisés par les industries membres du consortium (exploration-production pétrolière, simulation d’accidents dans les centrales nucléaires, fonctionnement de moteurs thermiques…).


Partenariat









Partenaires académiques Partenaires industriels


  • Université Paul Cézanne

  • Université d’Orsay

  • Université Joseph Fourier

  • University of Florida


  • TOTAL

  • IRSN

  • ONERA

  • RENAULT

  • EDF

Ce projet, dont le partenaire principal est actuellement TOTAL, a été initié en avril 2005, par la signature d’un contrat de recherche et la mise à disposition d’un ingénieur senior TOTAL dans l’équipe 3MI pour la mise sur pied du consortium. TOTAL finance également deux thèses, l’une en contrat CIFRE, l’autre sous convention de thèse TOTAL. Les nombreuses rencontres ont permis de faire démarrer ce projet à l'automne 2006, alors que des actions, liées aux deux thèses précitées avaient déjà été entamées.


Le projet est séquencé en phases semestrielles et structuré autour de thèmes de travail (analyse de sensibilité, plans d'expériences numériques, métamodèles et optimisation, estimation de quantiles, krigeage et approches bayésiennes, prise en compte d'entrées fonctionnelles) et de cas d'études.


Autour de ce projet se développe également une collaboration avec d’autres institutions de formations, à travers les co-encadrement de thèses (J. Franco, D. Ginsbourger, V. Picheny et B. Gauthier).


Ce projet est en lien direct avec le projet OMD, qui en est un prolongement dans la direction de l’utilisation pluri-disciplinaire d’un ensemble de grands codes de calculs.


Budget


Environ 200 k€ annuels, incluant le financement de deux thèse (sans compter le salaire de l’ingénieur senior TOTAL mis à disposition d'avril 2005 à septembre 2007).

Projet OMD « Optimisation Multi-Disciplinaire »

Le Projet OMD (Optimisation Multi-Disciplinaire) est une initiative rassemblant laboratoires publics et entreprises autour de la problématique de l'OMD au sens large, i.e., de l'optimisation de systèmes complexes. Ce projet, piloté par 3MI (R. Le Riche), est soutenu par les participants et par l'Agence Nationale de la Recherche Française / Réseau National des Technologies Logicielles (ANR/RNTL). Il est labellisé par le pôle de compétitivité System@tic.


Période : 2006 - 2009


Contexte et objectifs


Les nombreux outils industriels de simulation développés au cours de ces dernières années ont encore un impact limité sur la conception des systèmes complexes tels que les avions, les moteurs ou les fusées. Alors que les outils de modélisation de chaque discipline ou sous-systèmes se raffinent graduellement, l’optimisation globale de ces systèmes se heurte à des difficultés d’ordres à la fois méthodologique, organisationnel, informatique et numérique :



  • Le volume des calculs est trop important pour optimiser le système en un temps compatible avec les délais de conception de l’industrie.

  • Les compétences et les simulations disponibles dans chaque discipline ou sous-système sont maîtrisées par des services différents qui peinent à collaborer étroitement.

  • Les solutions trouvées dans une démarche d'optimisation classique ne sont pas suffisamment robustes vis à vis des erreurs de modélisation et des dispersions de paramètres du système.

Le projet OMD propose le développement de méthodes et d'outils d'optimisation collaborative et robuste. Il est décomposé en quatre sous-projets décrits qui se déclinent sur quatre applications. Le projet OMD est étroitement lié au projet DICE avec lequel il partage la moitié de ses actions de recherche :



  1. Construction de méta-modèles : cette action est convergente avec celle du projet DICE (voir section précédente).

  2. Optimisation multi-niveaux : pour maîtriser le volume des calculs impliqués dans l'optimisation, il faut avoir recours à des modèles de complexité croissante au fur et à mesure que le processus de conception progresse.

  3. Optimisation robuste : techniques pour prendre en compte les incertitudes des modèles dans leur optimisation. Cette action est commune au projet DICE (voir section précédente).

  4. Optimisation collaborative : techniques pour gérer le couplage entre disciplines lors de l'optimisation.

Partenariat









Partenaires académiques Partenaires industriel


  • IUT Cachan

  • UTC

  • Univ P. Sabatier – Toulouse

  • INRIA Rocquencourt et Sophia

  • INSA de Rouen


  • Renault

  • EADS Astrium

  • Dassault Aviation

  • ONERA

  • Sirehna

Le volume national du projet est de 1,5 M€ sur 3 ans. Le financement obtenu par 3MI est de 3 ho-an d'ingénieur de recherche (G. Pujol) pour travailler sur l’optimisation en présence d'incertitudes. Le projet OMD possède une application au domaine des machines complexes qui a été retenu pour être soutenu par la fondation CETIM.


Budget



  • 50 k€ sur 4 ans par la fondation CETIM

  • 150 k€ (3 ho-an d'ingénieur de recherche + fonctionnement) par l'ANR/RNTL à partir de 2007

Autres collaborations

Ces activités sont des actions menées en partenariat avec des non mathématiciens, couramment membres de l’Ecole, et dont la durée est très variable.

Actions en cours

Modélisation de fours tournants (2005 - …)









Partenaires académiques Partenaires industriels
Dpt ProcESS (Centre SPIN de l’ENSM-SE) Cogema Astek (Grenoble)

Ce projet fait suite au projet Infotherm développé en collaboration avec le centre SPIN de l’ENSM-SE. Il se poursuit en collaboration avec le département ProCESS.


Objectif : implémentation, dans des simulateurs de fours tournants développés par Astek sous FluExpert, des modèles de réactions hétérogènes mis au point par 3MI. Remplacement de ces modèles complexes par des surfaces de réponse.


Budget : 10 k€ en 2005 pour la faisabilité, pluriannuel ensuite.


Modélisation de soudage par malaxage (2005 - …)









Partenaires académiques Partenaires industriels
Dpt (Centre SMS de l’ENSM-SE)

La collaboration de 3MI consiste, dans un premier temps, à déterminer une forme analytique approchée des champs de vitesses à partir d’observations sur un grand code de calcul (éléments finis).


Cette collaboration consiste au co-encadrement d’une thèse : Dimitri Jacquin « Soudage par malaxage », début 2005. Directeur : Franck Montheillet (SMS), co-encadrée par C. Desrayaud et E. Touboul.


Budget : 6 k€ par an pendant 3 ans.

Actions passées

Modèles de cinétique hétérogène (Infotherm) (2000 - 2005)









Partenaires académiques Partenaires industriels
Centre SPIN (ENSM-SE) Ecole des Mines de Nancy Pechiney CEA Comhurex Cogema

3MI a collaboré à ce projet, qui s'est terminé fin 2005. L’objectif était la modélisation de réactions chimiques sur des solides en grains, dans le domaine de la cinétique hétérogène. Le mécanisme de réaction a lieu par germination-croissance. Des modèles déterministes et stochastiques ont été développés.


Ce projet a donné lieu à une thèse encadrée par 3MI : Céline Helbert « Modèles probabilistes de germination-croissance pour la transformation des poudres ». Directeur : Laurent Carraro – ENSM-SE. Soutenance : avril 2005


Budget : environ 25 k€ annuels pendant 5 ans.


Détermination de seuils de criticité en neutronique (2002 - 2006)









Partenaires académiques Partenaires industriels
  IRSN

Ce projet a été réalisé en collaboration avec l'IRSN à Fontenay aux Roses (Service d’Etudes de Criticité). Il vise principalement à l’amélioration, par des techniques statistiques, de l’estimation du coefficient effectif de multiplication des neutrons ou keff, coefficient physique qui mesure le degré de criticité d’une configuration neutronique donnée à l’aide d’un code neutronique de criticité.


Ce projet a consisté au co-encadrement de la thèse de Yann Richet (soutenance décembre 2006), dirigée par 3MI.


Détection automatique du cancer du colon (2003 - 2007)









Partenaires académiques Partenaires industriels
Centre CIS (ENSM-SE) Bio-Mérieux

Projet en collaboration avec l'Institut Bio-Mérieux et le CHU de Saint Etienne, et avec le centre CIS l'ENSM-SE. Il s'agit d'appliquer des techniques d'analyse d'image, puis de statistiques, à des photographies de migrations de protéines sur des plaque de gel (électrophorèse). Ce procédé vise à différentier les protéines caractéristiques de la présence de cancer.


Ce projet comprend le co-encadrement d’une thèse co-dirigée par 3MI : Fabien Bernard « électrophorèse pour la détection de cancer du colon », début en 2004, chez Bio-Mérieux, directeur J.C. Pinoli (CIS), co-encadrée par X. Bay.