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Soutenance de thèse de Dorian DUMEZ (équipe SLP)

Dorian Dumez, doctorant au sein de l’équipe SLP, soutiendra sa thèse intitulée « Approches matheuristiques pour l’optimisation des transports en logistique urbaine » / « Matheurisc approach for the resolution of transport optimization and urban logistics »

jeudi 23 septembre 2021 à 14h. Lien visioconférence : https://imt-atlantique.webex.com/meet/dorian.dumez

Jury :
– Directeur de thèse : M. Fabien LEHUÉDÉ Professeur à IMT Atlantique
– Co-encadrant : . Olivier PÉTON Professeur à IMT Atlantique
– Rapporteurs : Claudia ARCHETTI Professeur Associé à l’ESSEC Business School ; Frédéric SEMET Professeur à Centrale Lille
– Autres membres : Romain BILLOT Professeur à IMT Atlantique ; Samuel VERCRAENE Maître de conférences à l’INSA Lyon
– Invités : Nabil ABSI Professeur à Mines Saint-Etienne ; Stefan IRNICH Professeur à l’université Johannes Gutenberg de Mayence

Résumé : Dans cette thèse, nous nous intéressons aux problématiques soulevées par l’optimisation des tournées de véhicules pour la livraison en milieu urbain. Nous nous sommes attachés à la problématique des ressources synchronisées. Le contexte urbain impose des contraintes sur l’espace utilisable. Dans les modèles théoriques développés, cela se traduit par des contraintes de ressources communes à tous les véhicules. Le premier problème que nous avons développé traite de la livraison de colis avec fenêtres horaire en considérant de multiples options de livraison pour chaque commande.La synchronisation de ressources vient de la prise en compte d’un niveau de service global ainsi que de la capacité de lieux de livraison partagé, tels que des consignes. Le second problème traité vise à optimiser la collecte et la livraison de colis via un système logistique à deux échelons. Les ressources synchronisées sont alors la capacité de stockage des entrepôts intermédiaires, appelé satellites.Pour résoudre ces problèmes, nous avons développé des méthodes de recherche à voisinage large basé sur de petites destructions.Nous avons aussi étudié leur hybridation avec la résolution de modèles MIP et de la programmation dynamique. Ainsi, nos méthodes sont catégorisées comme matheuristiques.

Mots-clés : logistique urbaine, tournée de véhicules, matheuristique, recherche à voisinage large, ressources synchronisées

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Abstract: In this thesis, we are interested in the problems raised by the optimization of vehicle routing for delivery in urban areas. We pay close attention to problems with synchronized resources. Indeed, the urban context imposes hard constraints on the usable space. In the theoretical models developed, this translates into resource constraints common to all vehicles.The first problem deals with the delivery of parcels with time windows while considering multiple delivery options for each order.The synchronization of resources between vehicles comes from the consideration of the global quality of service according to the customers’ preferences as well as the capacityof shared delivery locations, such as lockers.The second problem addresses the optimization of the collection and delivery of parcels via a two-echelon logistics system. The synchronized resources between all vehicles are then the limited storage capacity of intermediate warehouses, called satellites.To solve these problems, we develope a large neighborhood search methods based on small destructions. We also study their hybridization with MIP models and dynamic programming. Thus, our methods are categorized as matheuristics.

Keywords: city logistics, vehicle routing, matheuristic, large neighborhood search, ressources synchronizations

Soutenance de thèse David ESPINEL SARMIENTO (équipe STACK)

David Espinel, doctorant au sein de l’équipe STACK, soutiendra sa thèse intitulée « Gestion distribuée d’un service de connectivité pour une infrastructures Cloud-Edge à partir des approches SDN » / « Distributing connectivity management in Cloud-Edge infrastructures using SDN-based approaches »

mardi 7 septembre 2021 à 14h. Lien visio : http://desktop.visio.renater.fr/scopia?ID=721587***6377&autojoin

Jury :
– Directeur de thèse : ADRIEN LEBRE (Professeur /HdR) – IMT Atlantique
– Rapporteurs : Vania MARANGOZOVA-MARTIN (Professeure /HdR) – UNIVERSITE GRENOBLE-ALPES ; Stefano SECCI (Professeur /HdR) – CNAM
– Autres membres : Isabelle CHRISMENT (Professeure /HdR) – LORIA ; Lucas NUSSBAUM (Professeur associé) – INRIA ; Abdelhadi CHARI (ingénieur recherche) – ORANGE

Résumé : L’évolution du paradigme d’Informatique en nuage au cours de la dernière décennie a permis de démocratiser les services à la demande de manière significative (plus simple d’accès, économiquement attrayant, etc.). Cependant, le modèle actuel construit autour de quelques centres de données de très grande taille ne permettra pas de répondre aux besoins des nouveaux usages liés notamment à l’essor de l’Internet des Objets. Pour mieux répondre à ces nouvelles exigences (en termes de latence, volumétrie, etc.), les ressources de calculs et de stockages doivent être déployées à proximité de l’utilisateur. Dans le cas des opérateurs de télécommunications, les points de présence réseau qu’ils opèrent depuis toujours peuvent être étendus à moindre cout pour héberger ces ressources. La question devient alors : comment gérer une telle infrastructure nativement géo-distribuée (référencée dans le manuscrit sous l’acronyme DCI pour Distributed Cloud Infra-structure) afin d’offrir aux utilisateurs finaux les mêmes services qui ont fait le succès du modèle actuel d’Informatique en nuage. Dans cette thèse réalisée dans un contexte industriel avec Orange Labs, nous étudions le problème de la gestion distribué de la connectivité entre plusieurs sites d’une DCI et proposons d’y ré-pondre en utilisant les principes des réseaux définis par logiciel (connus sous les termes « Software Defined Network »). De manière plus précise, nous rappelons les problèmes et les limitations concernant la gestion centralisée, et ensuite, examinons les défis pour aller vers un modèle distribué, notamment pour les services liés à la virtualisation réseaux. Nous fournissons une analyse des principaux contrôleurs SDN distribués en indiquant s’ils sont capables ou non de répondre aux défis des DCIs. Sur cette étude détaillé,qui est une première contribution en soi, nous pro-posons la solution DIMINET, un service en charge fournir une connectivité à la demande entre plusieurs sites. DIMINET s’appuie sur une architecture distribué où les instances collaborent entre elles à la de-mande et avec un échange de trafic minimal pour assurer la gestion de la connectivité. Les leçons apprises durant cette étude nous permettent de proposer les prémisses d’une généralisation afin de pou-voir ”distribuer” d’une manière non intrusive n’importe quels services en charge de gérer une infrastructure géo-distribuée.

Mots-clés : Infrastructure géo-distribué, réseau, automatisation, IaaS, Software Defined Network


Abstract: The evolution of the cloud computing paradigm in the last decade has amplified the access of on-demand services (economical attractive,easy-to-use manner, etc.). However, the current model built upon a few large datacenters (DC) may not besuited to guarantee the needs of new use cases, notably the boom of the Internet of Things (IoT). To better respond to the new requirements (in terms of delay, traffic, etc.), compute and storage resources should be deployed closed to the end-user. In the case of telecommunication operators, the networkPoint of Presence (PoP), which they have always operated, can be inexpensively extended to host these resources. The question is then how to manage such a massively Distributed Cloud Infrastructure (DCI) to provide end-users the same services that made the current cloud computing model so successful. In this thesis realized in an industrial context with OrangeLabs, we study the inter-site connectivity management issue in DCIs leveraging the Software-Defined Networking (SDN) principles. More in detail, we analyze the problems and limitations related to centralized management, and then, we investigate the challenges related to distributed connectivity management in DCIs. We provide an analysis of major SDN controllers indicating whether they are able or not to answer the DCI challenges in their respective contexts.Based on this detailed study, which is a first contribution on its own, we propose the DIMINET solution, a service in charge of providing on-demand connectivity for multiple sites. DIMINET leverages a logically and physically distributed architecture where instances collaborate on-demand and with minimal traffic exchange to provide inter-site connectivity management. The lessons learned during this study allows us to propose the premises of a generalization in order to be able to distribute in a non-intrusive manner any service in a DCI.

Keywords: Geo-distributed infrastructure, networking, automation, IaaS, Software-Defined Network

Soutenance de thèse de Cyrine SELMA (équipes PSI et NAOMOD)

Cyrine Selma, doctorante au sein des équipes PSI et NAOMOD, soutiendra sa thèse intitulée « Résolution d’un problème industriel de type pick & place d’un centre de tri postal » / « Solving an industrial pick & place problem of a postal sorting center »

mardi 13 juillet 2021.

Jury :
– Directeur de thèse : Olivier CARDIN Maître de Conférences-HDR, IUT de Nantes, Université de Nantes
– Rapporteurs : Samir LAMOURI Professeur, Arts & Métiers ParisTech, Paris, Cyril BRIAND Professeur, Université de Toulouse 3 Paul Sabatier, Toulouse- – Autres membres : Hind BRIL Professeur, ENSTIB, Epinal ; Nasser MEBARKI Maître de Conférences-HDR, IUT de Nantes, Université de Nantes ; Dalila TAMZALIT Maître de Conférences-HDR, IUT de Nantes, Université de Nantes
– Invités : Didier THIERIOT Ingénieur, Groupe La Poste ; Loïc BRUGGEMAN Ingénieur, Groupe La Poste

Résumé : Les problèmes de type Pick&Place (PAP)sont très étudiés dans la littérature, mais, à notre connaissance, très peu de travaux étudient les systèmes de PAP dans un contexte industriel. L’objectif de cette thèse est la résolution d’un problème industriel de type PAP au sein d’un centre de tri postal, où des bacs remplis de courrier arrivent dynamiquement et dans un ordre inconnu, et où des opérateurs placent ces bacs dans des chariots en fonction de leur destination. Compte tenu de la diversité importante des destinations journalières, un équilibre doit être trouvé en temps réel entre les flux traités par les humains et par le robot. Ce problème a été résolu en quatre phases. En premier lieu, des modèles à base de connaissance ont été proposés à partir de l’expérience de l’opérateur logistique. Le résultat de l’application de ces modèles sur une simulation du système réel est considéré comme une borne inférieure de la performance du système. En second lieu, un modèle mathématique du système a été établi, le relâchement de plusieurs contraintes permettant de traiter le problème comme un problème d’ordonnancement classique. Les résultats de cet ordonnancement, inapplicables sur le terrain, nous ont permis d’établir une borne supérieure de la performance du système. Une troisième étape a été de proposer un modèle heuristique, à base de règles dynamiques, évalué en simulation. Enfin, un modèle multi-agents, intégrant ces règles de décisions, a été développé afin de valider l’applicabilité d’un tel système de pilotage sur le système réel.

Mots-clés : Pick&Place, Modèle multi-agent, Robotique,Heuristique, Simulation, Recherche opérationnelle
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Abstract: Pick&Place (PAP) problems are widely studied in the literature, but,to the best of our knowledge, very few works study PAP systems in an industrial context. The objective of this thesis is to solve an industrial PAP problem in a postal sorting center, where containers filled with mail arrive dynamically and in an unknown order, and where operators place these containers in carts according to their destination. Given the large diversity of daily destinations, a balance must be found in real time between the flows processed by humans and by the robot. This problem was solved in four phases. First, knowledge-based models were proposed based on the experience of the logistics operator. The result of applying these models on a simulation of the real system is considered as a lower bound of the system performance. Second, a mathematical model of the system has been established, with the release of several constraints allowing to treat the problem as a classical scheduling problem. The results of this scheduling, which cannot be applied in the real system, allowed us to establish an upper bound on the performance of the system. A third step was to propose a heuristic model, based on dynamic rules, evaluated in simulation. Finally, a multi-agent model, integrating these decision rules, was developed in order to validate the applicability of such a control system on the real system.

Keywords: Pick&Place, Modèle multi-agent, Robotique,Heuristique, Simulation, Recherche opérationnelle

Soutenance de thèse de Guillaume MICHEL (équipe ReV)

Guillaume MICHEL, doctorant au sein de l‘équipe ReV soutiendra sa thèse intitulée « Etude d’un robot d’assistance pour la chirurgie endoscopique otologique et sinusienne » / « Study of an assistance robot for endoscopic otological and sinus surgery »

mercredi 7 juillet 2021 à 10h dans l’amphi S sur le site de Centrale Nantes.

Jury :
– Directeur de thèse : Damien CHABLAT
– Co-encadrant : Philippe BORDURE (Professeur des universités – Praticien Hospitalier, CHU de Nantes)
– Rapporteurs : Philippe POIGNET (Professeur des universités, Directeur du LIRMM, Montpellier) ; Valérie FRANCO VIDAL (Professeure des universités – Praticien Hospitalier, CHU de Bordeaux)
– Autres membres : Caroline CAO (Professeure des Universités, LS2N) ; Med Amine LARIBI (Maître de Conférences HDR, Institut Pprime, Université de Poitiers) ; Laurence NOUAILLE (Maître de Conférences, PRISME, Université d’Orléans)

Résumé :
La chirurgie endoscopique de l’oreille et des sinus permet de favoriser des voies mini-invasives et de visualiser des zones difficiles à atteindre. Elles ne sont cependant pas toujours aisées, car immobilisent une main du chirurgien pour le maintien de l’endoscope. L’objectif de cette thèse est alors de concevoir un robot d’assistance pour ce type de chirurgie endoscopique.
La thèse débute par un rappel des régions anatomiques de l’oreille et des sinus, puis par la réalisation d’un atlas géométrique, d’après scanners, permettant la définition des dimensions de ces espaces de travail robotiques et de leurs variations. Après un état de l’art des robots déjà existants pour la chirurgie de l’oreille et des sinus, nous introduisons notre robot porte-endoscope par une analyse fonctionnelle. Elle est confrontée à une veille de brevets, qui mène ensuite à un dépôt de brevet, publié en 2021. Une étude de marché est ensuite présentée, montrant l’intérêt des utilisateurs des spécialités concernées.
La phase de conception du robot débute alors, par l’analyse de différents choix d’architecture, autour de variations d’un mécanisme à centre de rotation déporté, couplant un mécanisme sphérique à 2 degrés de liberté avec un double parallélogramme. Un nouvel algorithme d’optimisation a été réalisé, basé sur l’algorithme de Nelder Mead, permettant l’optimisation de mécanismes parallèles. Les modalités du contrôle de ce robot par suivi d’image ont enfin été définies, à l’aide d’un algorithme utilisant le CamShift.

Mots-clés : chirurgie endoscopique, robotique chirurgicale, ORL, mécanisme parallèle, optimisation
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Abstract:
Endoscopic ear and sinus surgery promotes minimally invasive pathways and allows a better view of areas difficult to access. However, they are not always easy, as they immobilize a surgeon’s hand to hold the endoscope. The objective of this thesis is to design an assistance robot for this type of endoscopic surgery.
The thesis begins with a reminder of the anatomical regions of the ear and sinuses, then with a geometrical atlas based on scans. These measurements size these robotic workspaces and their variations. After a state of the art of the existing robots for ear and sinus surgery, we introduce our endoscope holder robot with a functional analysis. This analysis is confronted with a patent watch, which leads to a patent filing, published in 2021. Then, a marketing study is presented, showing the interest of users of the specialties concerned.
The robot design phase begins, with analysis of different architectures, variations of a remote center of motion mechanism, made by coupling two degrees of freedom spherical mechanism with double parallelograms. A new optimization algorithm has been introduced, based on the Nelder Mead algorithm. It allows the optimization of parallel mechanisms. Robot control by image tracking has finally been defined, with an algorithm using CamShift.

Keywords: endoscopic surgery, surgical robotics, ENT, parallel mechanism, optimization

Soutenance de thèse de Sébastien ROUQUET (équipe COMMANDE)

Sébastien Rouquet, doctorant au sein de l’équipe COMMANDE, soutiendra sa thèse intitulée « Gestion d’énergie optimisée pour véhicule électrique hybride série » / « Serial hybrid electric vehicle (HEV, PHEV), energy management »

lundi 5 juillet 2021 à 15h, sans l’amphi  du bâtiment S sur le site de Centrale de Nantes.

Jury :
– Directeur de thèse : Malek GHANES (Professeur des Universités, Centrale Nantes, LS2N, Nantes)
– Co-directeur : Yuri SHTESSEL (Distinguished Professeur, Université d’Alabama, ECE, USA)
– Rapporteurs : Xuefang LIN-SHI (Professeur des Universités, INSA Lyon, Ampère, Lyon) ; Olivier GEHAN (Maître de Conférences-HDR, ENSICAEN, LAC, Caen)
– Autres membres : Rosane USHIROBIRA (Chargé de Recherche-HDR, INRIA, Lille) ; Maurice FADEL (Professeur des Universités, EN7, Laplace, Toulouse) ; Jean-Pierre BARBOT (Professeur des Universités, ENSEA, Quartz-LS2N) ; Ludovic MERIENNE (Ingénieur, Renault)

Résumé : Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la Chaire entre Renault et Centrale Nantes pour l’amélioration des performances des véhicules électriques et hybrides. La thèse est dédiée au développement de stratégies de contrôle pour un véhicule électrique hybride série sans la batterie principale. En mode hybride série, le moteur à combustion interne est couplé à un générateur électrique pour produire la puissance utilisée par un deuxième moteur électrique pour propulser le véhicule. En l’absence de la batterie principale, le groupe motopropulseur possède deux petits tampons d’énergie, ce qui rend le système sensible à des faibles perturbations. De plus, le système a la particularité d’avoir trois échelles de temps différentes, ce qui a conduit à plusieurs partitionnements des lois de commande. Ce partitionnement a été fait afin de maintenir le niveau de chaque tampon d’énergie, repousser les perturbations et améliorer le fonctionnement du groupe motopropulseur. Après avoir sélectionné une stratégie, les interrogations scientifiques ont porté sur la compréhension du couplage entre chaque échelle de temps et la stabilité du système. L’interaction entre les étages de contrôle a été étudiée avec l’approche des perturbations singulières et améliorée avec des observateurs. Les algorithmes et stratégies développés ont été testés en simulation et sur banc d’essai. Les résultats obtenus ont mis en évidence la faisabilité et les avantages des stratégies proposées dans la thèse.

Mots-clés : Véhicule électrique hybride série, gestion d’énergie, moteur synchrone à aimants permanents, moteur à combustion interne, contrôle basé sur la perturbation singulière, observateurs


Abstract: This thesis is a part of the project Chair between Renault and Centrale Nantes for the improvement of EV/HEV propulsion performances. It is dedicated to proposed control strategies for a serial hybrid electric vehicle without the main battery. In the serial hybrid mode, the internal combustion engine is coupled with an electrical generator to produce power used by a second electric motor to propel the vehicle. In the absence of the main battery, the powertrain has small energy buffer, making the system sensitive to small disturbance. Moreover, the system presents the particularity of having three different time scales. The three time scales have been driving the control design to propose different strategies for partitioning the control in sub stage, maintaining the level of the energy storage, asses the perturbation and improves the operation of the powertrain. After proposing different strategies, the scientific interrogations have been the understanding of the coupling between each time scale and the stability of the overall system. The interaction of the control stage has been studied with the singular perturbation approach and improved with the observation method. The algorithms and strategies developed have been tested in simulation and on a test bench. The results obtained have highlighted the feasibility and the benefits of the strategies proposed in the thesis. 

Keywords: Serial hybrid electric vehicle (HEV, PHEV), energy management, Permanent magnet synchronous machine, Internal combustion engine, Control based singular perturbation approach, Observers

Soutenance de thèse de Thanh Tan DOAN (équipe SLP)

Thanh Tan DOAN, doctorant au sein de l’équipe SLP, soutiendra sa thèse intituée « Problème de routage de véhicules avec des contraintes supplémentaires imposées à différents groupes de clients » / « Vehicle routing problems with additional constraints imposed on different groups of customers »

vendredi 2 juillet 2021 à 14h sur Zoom
https://univ-nantes-fr.zoom.us/j/93293101779?pwd=M2ZOdmNOcXdJOElKRER4QmdmRTVWZz09 (ID de réunion : 932 9310 1779 / Code secret : 489264)

Jury :
– Directeur de thèse : Nathalie BOSTEL, Professeur des Universités, Université de Nantes
– Co Directeur de thèse :Minh Hoang HA, Lecturer, Phenikaa University (Vietnam)
– Rapporteurs : Nicolas JOZEFOWIEZ Professeur des Universités, Université de Lorraine ; Dominique FEILLET Professeur, Ecole des Mines de Saint-Etienne (CMP Gardanne)
– Examinateurs : Andréa DUHAMEL Professeur des Universités, Université Le Havre Normandie ; Jorge MENDOZA Professeur agrégé, HEC Montréal (Canada)

Résumé : Le problème de routage de véhicules est l’un des problèmes les plus étudiés en optimisation combinatoire. Au cours des 60 dernières années, un effort considérable de la communauté de recherche universitaire a été consacré pour combler le fossé entre la résolution de problèmes académique et pratique en prenant en compte des contraintes de plus en plus réalistes. Dans de nombreux problèmes du monde réel, les clients qui ont besoin d’un service pourraient être divisés en différents groupes selon leur nature, catégorie, importance ou priorité, etc. Des contraintes supplémentaires sont alors imposées à chaque groupe de clients avec des buts différents, comme le respect d’un ordre de livraison ou la satisfaction d’un niveau minimum de demande. Dans cette recherche, nous considérons trois problèmes qui sont : 1) Problème de routage de véhicule avec règle de priorité assouplie (VRPRPR), 2) Problème de voyageur de commerce en cluster avec règle de priorité assouplie(CTSP-d), et 3) Problème de routage de véhicule en cluster souple (SoftCluVRP). Ces problèmes partagent une caractéristique commune de fournir un service de groupe aux clients et avec des contraintes supplémentaires pour personnaliser le service. Pour le premier problème, nous étendons et améliorons un modèle précédent et introduisons une métaheuristique basée sur la recherche adaptative à voisinage large (ALNS). Nous présentons également un nouvel ensemble d’instances qui simule différentes situations dans l’application du problème avec une méthode pour traiter les contraintes supplémentaires imposées. Pour le deuxième problème, nous présentons de nouveaux modèles et une métaheuristique basée sur la recherche locale itérative (ILS). Pour le troisième problème, nous avons introduit différentes formulations et métaheuristiques basées sur la recherche de voisinage variable (VND). Des expériences sont menées sur chaque problème et comparées aux études précédentes pour illustrer les performances du contenu proposé.

Mots-clés : VRP, TSP, métaheuristique, priorité client, règle de priorité assouplie, contraintes de niveau de service
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Abstract: The vehicle Routing Problem is one of the most studied problems in combinatorialoptimization. In the last 60 years, an extensive effort of academic research community has been devoted to fill the gap between academic and practical problem solving by considering more and more realistic constraints. In many real-world problems, customers who require service could be divided into different groups according to their nature, category, importance, or priority, etc. Additional constraints are then imposed on each group of customers with different purposes such as delivery order or minimum demand satisfaction level. In this research, we consider three problems that are: 1) Vehicle Routing Problem with Relaxed Priority Rule (VRP-RPR), 2) Clustered Traveling Salesman Problem with Relaxed Priority Rule (CTSP-d), and 3) Soft Cluster Vehicle
Routing Problem (SoftCluVRP). These problems share a common feature of providing group-based service to customers and with additional constraints to customize service.
For the first problem, we extend and improve a previous model and introduce an Adaptive Large Neighborhood Search (ALNS)-based metaheuristic. We also present a new instance set that simulates different situations in applying the problem with a method to deal with additional constraints imposed. For the second problem, we present new models and an Iterated Local Search (ILS)-based metaheuristic. For the third problem, we introduced different formulations and a Variable Neighborhood Search (VND)-based metaheuristic. Experiments are conducted on each problem and compare with previous studies to illustrate the performance of proposed content.

Keywords: VRP, TSP, metaheuristic, customer priority, relaxed priority rule, service level constraints

Soutenance de thèse de Diane MORNAS (équipe SIMS)

Diane Mornas, doctorante au sein de l’équipe SIMS, soutiendra sa thèse intitulée « Modélisation paramétrique de l’hyperémie fonctionnelle en IRMf ASL comme un mélange de sources » / « Parametric modelling of functional hyperaemia in fMRI ASL as a mixture of sources »

jeudi 1er juillet 2021 à 14h, à l’Ecole Centrale de Nantes (si les conditions le permettent).

Jury :
– Directeur de thèse : Jérôme Idier (Directeur de Recherche CNRS, LS2N, Nantes)
– Co-encadrant : Clément Huneau (Maître de conférences, Université de Nantes, LS2N, Nantes)
– Rapporteurs : Jean Daunizeau (Chargé de Recherche INSERM, Institut du Cerveau, Paris) ; Jean-François Giovannelli (Professeur des Universités, Université de Bordeaux, IMS, Bordeaux)
– Autres membres : Sylvie Lorthois (Directrice de Recherche CNRS, IMFT, Toulouse) ; Mélanie Pélégrini-Issac (Ingénieure de Recherche INSERM, LIB, Paris)

Résumé : L’activité neuronale engendre par vasodilatation des petits vaisseaux sanguins cérébraux une augmentation de volume et de débit sanguin cérébral. C’est le phénomène de l’hyperémie fonctionnelle qui est induit par le couplage neurovasculaire. L’hyperémie fonctionnelle est directement observable avec la technique d’imagerie d’IRMf ASL.
Une altération de l’hyperémie fonctionnelle a été observée dans certaines maladies neurodégénératives comme l’artériopathie CADASIL.
L’objectif de cette thèse est de proposer une modélisation de l’hyperémie fonctionnelle mesurée dans un voxel d’IRMf ASL ainsi qu’une méthode adaptée à son identification. Nous proposons le modèle paramétrique Fast-Slow. Il modélise une réponse en débit à une stimulation neuronale comme étant induite par deux mécanismes vasodilatateurs « rapide » et « lent », temporellement et spatialement distincts. Ce modèle dépend de paramètres dynamiques caractérisant la forme des réponses des deux mécanismes par région cérébrale et de paramètres caractérisant la contribution des deux mécanismes par voxel. Dans un premier temps, nous avons élaboré et validé plusieurs stratégies d’estimation adaptées au problème d’identification du modèle paramétrique à partir de données simulées de débit relatif. Dans un second temps, à partir de la meilleure stratégie nous avons validé l’utilisation du modèle sur des données réelles d’IRMf ASL mesurées chez des patients CADASIL et des sujets Contrôles dans le but de différencier les données de ces deux groupes. Le modèle Fast-Slow permet aussi de construire des cartes de distributions spatiales des paramètres voxéliques. Cette thèse montre que notre modèle permet d’extraire des informations spatiales et temporelles à partir des données IRMf ASL dans le but d’améliorer la compréhension du couplage neurovasculaire.

Mots-clés : Couplage neurovasculaire, IRMf ASL, débit sanguin cérébral, modélisation, identification paramétrique

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Abstract: Neural activity leads to an increase in cerebral blood volume and flow by vasodilatation of the small cerebral blood vessels. This is the phenomenon of functional hyperaemia, which is induced by neurovascular coupling. Functional hyperaemia is directly measurable with the ASL fMRI imaging technique.
Impaired functional hyperemia has been observed in some neurodegenerative diseases such as CADASIL arteriopathy.
The aim of this thesis is to propose a model of the functional hyperaemia measured in an ASL fMRI voxel and a suitable method to its identification. We propose the Fast-Slow parametric model. It models a flow response to neuronal stimulation as being induced by two temporally and spatially distinct « fast » and « slow » vasodilatory mechanisms. This model depends on dynamic parameters characterising the shape of the response for each mechanism per brain region and on parameters characterising the contribution of the two mechanisms per voxel. In a first step, we developed and validated several estimation strategies adapted to the problem of identifying the parametric model from simulated relative flow data. In a second step, based on the best strategy, we validated the use of the model on real ASL fMRI data measured in CADASIL patients and Control subjects in order to differentiate the data of these two groups. The Fast-Slow model also allows the construction of maps of spatial distributions of voxel parameters. This thesis shows that our model allows the extraction of spatial and temporal information from ASL fMRI data in order to improve the understanding of neurovascular coupling.

Keywords: Neurovascular coupling, ASL fMRI, cerebral blood flow, modeling, parametric identification

Soutenance de thèse de Diane MORNAS (équipe SIMS)

Diane Mornas, ancienne doctorante de l’équipe SIMS, a soutenu sa thèse intitulée « Modélisation paramétrique de l’hyperémie fonctionnelle en IRMf ASL comme un mélange de sources »
jeudi 1er juillet 2021 à 14h en mixte présentiel à Centrale et visio.

Jury :
– Rapporteurs : Jean DAUNIZEAU, Chargé de Recherche INSERM, Institut du Cerveau, Paris ; Jean-François GIOVANNELLI, Professeur des Universités, IMS, Bordeaux
– Examinatrices: Sylvie LORTHOIS, Directrice de Recherche CNRS, IMFT, Toulouse ; Mélanie PELEGRINI-ISSAC, Docteur Ingénieur de Recherche INSERM, LIB, Paris
– Directeur et co-encadrant : Jérôme IDIER, Directeur de Recherche CNRS, LS2N ; Clément HUNEAU, Maître de Conférences, Université de Nantes, LS2N

Résumé : L’activité neuronale engendre  par vasodilatation des petits vaisseaux sanguins cérébraux une augmentation de volume et de débit sanguin cérébral. C’est le phénomène de l’hyperémie fonctionnelle qui est induit par le couplage neurovasculaire. L’hyperémie fonctionnelle est directement observable avec la technique d’imagerie d’IRMf ASL.
Une altération de l’hyperémie fonctionnelle a été observée dans certaines maladies neurodégénératives comme l’artériopathie CADASIL.
L’objectif de cette thèse est de proposer une modélisation de l’hyperémie fonctionnelle mesurée dans un voxel d’IRMf ASL ainsi qu’une méthode adaptée à son identification. Nous proposons le modèle paramétrique Fast-Slow. Il modélise une réponse en débit à une stimulation neuronale comme étant induite par deux mécanismes vasodilatateurs « rapide » et « lent », temporellement et spatialement distincts. Ce modèle dépend de paramètres dynamiques caractérisant la forme des réponses des deux mécanismes par région cérébrale et de paramètres caractérisant la contribution des deux mécanismes par voxel. Dans un premier temps, nous avons élaboré et validé plusieurs stratégies d’estimation adaptées au problème d’identification du modèle paramétrique à partir de données simulées de débit relatif. Dans un second temps, à partir de la meilleure stratégie nous avons validé l’utilisation du modèle sur des données réelles d’IRMf ASL mesurées chez des patients CADASIL et des sujets Contrôles dans le but de différencier les données de ces deux groupes. Le modèle Fast-Slow permet aussi de construire des cartes de distributions spatiales des paramètres voxéliques. Cette thèse montre que notre modèle permet d’extraire des informations spatiales et temporelles à partir des données IRMf ASL dans le but d’améliorer la compréhension du couplage neurovasculaire.

Mots-clés : Couplage neurovasculaire, IRMf ASL, débit sanguin cérébral, modélisation, identification paramétrique

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Abstract: Neural activity leads to an increase in cerebral blood volume and flow by vasodilatation of the small cerebral blood vessels. This is the phenomenon of functional hyperaemia, which is induced by neurovascular coupling. Functional hyperaemia is directly measurable with the ASL fMRI imaging technique.
Impaired functional hyperemia has been observed in some neurodegenerative diseases such as CADASIL arteriopathy.
The aim of this thesis is to propose a model of the functional hyperaemia measured in an ASL fMRI voxel and a suitable method to its identification. We propose the Fast-Slow parametric model. It models a flow response to neuronal stimulation as being induced by two temporally and spatially distinct « fast » and « slow » vasodilatory mechanisms. This model depends on dynamic parameters characterising the shape of the response for each mechanism per brain region and on parameters characterising the contribution of the two mechanisms per voxel. In a first step, we developed and validated several estimation strategies adapted to the problem of identifying the parametric model from simulated relative flow data. In a second step, based on the best strategy, we validated the use of the model on real ASL fMRI data measured in CADASIL patients and Control subjects in order to differentiate the data of these two groups. The Fast-Slow model also allows the construction of maps of spatial distributions of voxel parameters. This thesis shows that our model allows the extraction of spatial and temporal information from ASL fMRI data in order to improve the understanding of neurovascular coupling.

Keywords: Neurovascular coupling, ASL fMRI, cerebral blood flow, modeling, parametric identification

Soutenance de thèse de Jing Geng (équipe RoMaS)

Jing Geng, doctorante au sein de l’équipe RoMaS a soutenu sa thèse intitulée « DESIGN OF BALANCED PARALLEL MANIPULATORS WITH REDUCED CENTER OF MASS ACCELERATION »
mardi 8 juin 2021 dans l’amphi Bonnin de l’INSA de Rennes (https://zoom.us/j/99084261110?pwd=UytHZERPNmZBMmRBZVR4Z28rSHhiUT09).

Jury :
– Directeur de thèse : Vigen ARAKELYAN (Professeur des Universités, INSA Rennes / LS2N Nantes)
– Rapporteurs : Mario ACEVADO (Professor, Universidad Panamericana, Facultad de Ingeniería, Guadalajara, Mexico) ; Amine LARIBI (MdC, HDR, Université de Poitiers, Département Génie Mécanique et systèmes complexes).
– Autres membres : Philippe WENGER (Directeur de Recherche CNRS, LS2N Nantes) ; Damien CHABLAT (Directeur de Recherche CNRS, LS2N Nantes); Emmanuel DELALEAU (Professeur des Universités, ENIB, Brest); Natalie SMITH-GUERIN (Maîte de Conférences, Université Bretagne Sud, IUT Lorient)

Abstract: In the thesis, the method based on optimal motion planning of the common center of mass is extended on planar and spatial parallel manipulators.
Firstly, two types of planar parallel manipulators are considered: 5R and 3RRR. In these manipulators, by generating the input parameters of the actuated joints that ensure the optimal motion of the common mass center, the partial reduction of the shaking forces transmitted to the frame is achieved. It is imperative to note that the proposed balancing is carried out without adding counterweights. The obtained results showed that the generation of the trajectory of the common mass center of the manipulator by « bang-bang » profile provides a significant reduction in shaking forces. Although the goal of these studies was not the further decrease of the shaking moments but it is observed that a considerable reduction in the shaking moment is also obtained. The absence of additional masses and the optimal generation of the center of mass trajectory can explain this.
Some observations showed that the control of manipulators based on the kinematic parameters of a virtual point as a center of masses leads to additional inconvenience. For example, measurements and refinements of the displacements of the total mass center of moving links becomes pretty complex. To eliminate this drawback, the approach based on the combination of mass redistribution and motion planning has been also considered. The simulation results showed that in this case a reduction of 60% of the shaking force can be achieved.
The problem of shaking force balancing of spatial parallel manipulators was then discussed. Two types of spatial parallel manipulators have been considered: the Delta robot and the Orthoglide. It is known that due to the complexity of the spatial parallel mechanisms, the complete shaking force balancing is difficult to obtain. Therefore, the suggested balancing approach based on optimal acceleration control of the common mass center, becomes more benefits. By defining the trajectory of the common center of mass as a straight line, and parameterizing its motion with «bang-bang» profile, the maximal value of the shaking force has been reduced.
In the current industry, the errors of fabrications and assembly cannot be avoided. In the last chapter, the error-sensitivity analysis of the developed balancing strategy has been proposed in order to evaluate the parameters, which affect more errors on the shaking force and the position accuracy.
Finally, it should be noted that despite the fact that the developed balancing technique ensures only partial solution of the shaking force balancing, it appears that the suggested solution can be attractive for industrial robot applications because it can easily be implemented in practice.

Keywords: Shaking force, Balancing, Parallel Manipulators, control of the center mass acceleration, « bang-bang » profile

Soutenance de thèse de Madhukar BHAT (équipe IPI)

Madhukar Bhat, doctorant au sein de l’équipe IPI soutiendra sa thèse intitulée « Optimisation perceptuelle et réduction de complexité d’encodage vidéo dans un contexte temps-réel » / « Perceptual optimization and complexity reduction for real-time video encoding »

lundi 7 juin 2021 à 14h en visio.

Lien Zoom : https://univ-nantes-fr.zoom.us/j/95145814230?pwd=anlMRXluUmVDaTd3bnRsOUFQUk14QT09
(Meeting ID: 951 4581 4230 / Passcode: 099949)

Jury :
– Directeur de thèse : Patrick Le Callet
– Rapporteurs : Mathias Wien (Privatdozent, RWTH Aachen, Allemagne), Marco Cagnazzo (Professeur, Telecom Paristech, Paris)
– Autres membres : Jean-Marc Thiesse (Chef de service Algorithmes , VITEC, Chatillon)
– Invitée : Mme Lu ZHANG, Maitre de conférences, INSA Rennes

Résumé : Cette thèse explore l’optimisation perceptuelle et la réduction de la complexité afin d’améliorer les schémas de compression vidéo dans un contexte d’encodage temps réel. Le travail est divisé en trois parties qui abordent plusieurs aspects d’amélioration l’encodage vidéo en temps réel. La première contribution introduit un filtre de prétraitement perceptuel basé sur un modèle du système visuel humain. Ce filtre de prétraitement peut être réglé et a été optimisé pour plusieurs conditions de visualisation. Une étude sur la précision de différentes métriques de qualité objective dans le cadre spécifique de la mesure des performances de pré-filtrage est également menée. La deuxième partie de la thèse propose une méthodologie basée sur la classification par apprentissage automatique pour prédire et sélectionner de manière adaptative la meilleure résolution d’encodage dans un scénario de codage en une passe. À cette fin, trois classificateurs différents ont été considérés : Support Vector Machine, Random Forest (RF) et Multi-Layer Perceptron. Dans le but d’évaluer et piloter le gain perceptif à un débit donné, plusieurs métriques de qualité objectives ont ensuite été caractérisées et comparées à plusieurs niveaux de qualité du point de vue de l’incertitude de la qualité subjective de la vérité terrain. En outre, une nouvelle métrique de fusion basée sur RF, subjectivement plus précise, a été introduite pour la formation des classificateurs. La dernière partie se concentre sur la prise en charge de la partie de codage la plus complexe du nouveau standard Versatile Video Coding (VVC) : la décision de partitionnement Multi-Type Tree. Une nouvelle méthode de partitionnement basée Machine Learning est proposée avec un design complet, adaptée à chaque type d’encodeur et particulièrement approprié pour un encodeur matériel temps réel. Une approche basée CNN a ainsi été utilisée, avec des classificateurs pour différents niveaux, formes et types de partitionnement. Cette méthode est finalement évaluée par rapport à une recherche exhaustive et démontre des performances prometteuses qui sont soigneusement analysées.

Mots-clés : Encodage matériel en temps réel, HEVC, VVC, Filtre de prétraitement perceptuel, Apprentissage automatique, Sélection de résolution adaptative, Partitionnement rapide

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Abstract: This thesis explores perceptual optimization and complexity reduction towards improving video compression schemes in a real-time encoding context. Different strategies are proposed to address perceptual enhancements and complexity reduction. The work is divided into three main parts that tackle several aspects to improve realtime video encoding. The first contribution introduces a perceptual pre-processing filter based on a model of the Human Visual System. This preprocessing filter can be tuned and has been optimized for multiple viewing conditions. An investigation of objective quality metric’s accuracy in measuring the performance of pre-processing is also reported. The second part of the thesis proposes a machine learning classification-based methodology to adaptively predict and select the best encoding resolution in a single-pass encoding scenario. For this purpose, three different classifiers have been considered: Support Vector Machine, Random Forest (RF), and Multi-Layer Perceptron. Several objective quality metrics have been characterized and benchmarked for various quality ranges concerning the uncertainty of subjective quality ground-truth to evaluate and drive the perceptual gain at a given bitrate.
Also, a new, subjectively more accurate RFbased fusion metric has been introduced for the classifier training. The final part focuses on tackling the most challenging encoding part of the new Versatile Video Coding (VVC) standard: the Multi-Type Tree partitioning decision. A new ML-based partitioning method is proposed with a complete design, suitable for every encoder but even more adapted for real-time hardware encoder. A CNN-based approach was considered, offering classifiers for different coding unit depth, shapes, and picture types. This method is finally evaluated against exhaustive search and demonstrate promising performance which are carefully analyzed.

Keywords: Real-time hardware encoding, HEVC , VVC , Perceptual pre-processing filter, Machine learning, Adaptive resolution selection, Fast parititioning

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