Optimisation d'alignements d'un réseau de pipelines basée sur les algèbres tropicales et les ...

139 Pages·2017·4.1 MB·French

Optimisation d’alignements d’un réseau de pipelines
basée sur les algèbres tropicales et les approches
génétiques
Karla Rossa Quintero Garcia
To cite this version:
Karla Rossa Quintero Garcia. Optimisation d’alignements d’un réseau de pipelines basée sur les
algèbrestropicalesetlesapprochesgénétiques. Automatique/Robotique. INSAdeLyon;Universidad
de los Andes (Bogotá). Facultad de ingenieria, 2015. Français. ￿NNT: 2015ISAL0030￿. ￿tel-01371572￿
HAL Id: tel-01371572
https://theses.hal.science/tel-01371572
Submitted on 17 May 2017
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
Institut National des Sciences AppliquØes de Lyon
Universidad de Los Andes
ThŁse Doctorale
Optimisation d’Alignements d’un RØseau de Pipelines basØe sur
les AlgŁbres Tropicales et les Approches GØnØtiques
Mots clØs : ModØlisation des systŁmes, optimisation multi-objectif, algŁbres tropicales,
rØseaux de (cid:29)ux, systŁmes (cid:224) ØvØnements discrets.
Par :
Karla Quintero
Pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
Jury
M. Eric NIEL Directeur Professeur (INSA Lyon)
M. JosØ AGUILAR Directeur Professeur (ULA MØrida, Venezuela)
M. Philippe JEANNIN Tuteur Industriel Ing. DØveloppement (Thales Group - TCS)
M. SØbastien LAHAYE Rapporteur Professeur (UniversitØ d’Angers)
M. Hassane ALLA Rapporteur Professeur (UniversitØ de Grenoble)
Mme. Audine SUBIAS Examinateur MCF HDR (INSA Toulouse)
M. Addison RIOS Examinateur Professeur (ULA MØrida, Venezuela)
M. Juan CARDILLO Examinateur Professeur (ULA MØrida, Venezuela)
Laboratoire AmpŁre (UMR5005) - INSA Lyon
Laboratoire CEMISID - ULA MØrida, Venezuela
20 juillet 2015
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0030/these.pdf
© [K. Quintero], [2015], INSA de Lyon, tous droits réservés
i
RØsumØ
Cette thŁse porte sur l’optimisation d’opØrations dans un terminal maritime pØtrolier en vue
d’assister les opØrateurs de supervision. L’objectif est de fournir des solutions candidates pour la
sØlection d’alignements (chemins) de pipelines et pour l’ordonnancement d’opØrations de trans-
fert de pØtrole et de maintenance de vannes. La principale di(cid:30)cultØ de ce travail est la gestion
d’un rØseau (cid:224) ressources limitØes et con(cid:29)ictuelles. La prise de dØcision doit Œtre rØalisØe en fonc-
tion des disponibilitØs des dispositifs, de la capacitØ opØrative du rØseau, d’aspects (cid:28)nanciers
(pØnalitØs) liØs au service, et d’activitØs de maintenance plani(cid:28)Øes au prØalable.
L’optimisation est abordØe par des approches tropicales du fait que ces techniques apprØhendent
de maniŁre concise et intuitive les phØnomŁnes de synchronisation. Les propositions dØveloppØes
icicommencentpardesmodŁlesd’optimisationalgØbriquesmono-objectifetsecomplexi(cid:28)ent,lors
de l’intØgration de nouvelles variabilitØs, jusqu’(cid:224) la proposition de modŁles d’optimisation multi-
objectif hybrides par approches d’intelligence arti(cid:28)cielle et algØbriques. Dans un premier temps,
un modŁle d’optimisation mono-objectif est proposØ en algŁbre (max,+) pour minimiser les
pØnalitØs, intØgrant des phØnomŁnes de nature di(cid:27)Ørente dans une contrainte gØnØrique unique.
Ce modŁle est non linØaire, considŁre des alignements dØ(cid:28)nis au prØalable, et sa validation est
rØalisØe (cid:224) l’aide du logiciel d’optimisation LINGO.
Dans un deuxiŁme temps, la linØarisation est rØsolue par une priorisation des opØrations en
con(cid:29)it. Dans ce contexte, deux critŁres de linØarisation sont considØrØs : le premier concernant
les pØnalitØs potentielles pour les clients, et le deuxiŁme concernant la criticitØ des opØrations.
Le modŁle (max,+) non linØaire minimisant les pØnalitØs est Øtendu pour la prise en compte
de la recherche d’alignements et de la minimisation des retards des opØrations de maintenance.
Pour apprØhender la dimension multi-objectif, une approche hybride d’algorithmes gØnØtiques
et des systŁmes (max,+) linØaires est ensuite discutØe. En(cid:28)n, dans un cadre plus formel, un
nouveau produit synchrone exploitant les phØnomŁnes de parallØlisme au plus t(cid:244)t est dØ(cid:28)ni pour
des automates tropicaux pour minimiser le makespan.
Les propositions sont validØes par des donnØes industrielles recueillies auprŁs de l’entreprise pØ-
troliŁre PDVSA et du fournisseur de solutions de supervision Thales Group. Les principales
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0030/these.pdf
© [K. Quintero], [2015], INSA de Lyon, tous droits réservés
ii
contributions (cid:224) la recherche relŁvent de la considØration des approches tropicales dans la rØso-
lution de la problØmatique d’optimisation conduisant (cid:224) des modŁles concis et potentiellement
linØaires, la proposition d’une approche hybride d’algorithmes gØnØtiques et systŁmes (max,+)
linØaires exploitant les avantages de recherche distribuØe des approches de l’intelligence arti(cid:28)-
cielle avec les modŁles concis issus de l’algŁbre (max,+), et de la dØ(cid:28)nition d’un nouveau produit
synchrone d’automates tropicaux par une exploitation des phØnomŁnes de parallØlisme pour un
comportement au plus t(cid:244)t.
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0030/these.pdf
© [K. Quintero], [2015], INSA de Lyon, tous droits réservés
iii
Abstract
This thesis addresses operations optimization in an oil seaport with the fundamental purpose
of assisting supervision operators. The objective is to provide candidate solutions for pipeline
alignment (path) selection and for scheduling of oil transfer operations, as well as maintenance
operations, considering that the system has limited and con(cid:29)icting resources. Informed decision
making should consider operations scheduling and alignment selection based on : devices avai-
lability, operative capacity of the network, (cid:28)nancial aspects (penalties) due to late service, and
a prede(cid:28)ned maintenance schedule.
The optimization problem is addressed by tropical approaches given their potential for yielding
concise and intuitive representations when modeling synchronization phenomena. The proposals
developed herein start by algebraic mono-objective optimization models. They subsequently
become more complex, as new aspects are included, leading to the formulation of hybrid multi-
objectiveoptimizationmodelsbasedonarti(cid:28)cialintelligenceapproachesaswellas(max,+)-linear
system theory.
Firstly, a mono-objective optimization model is proposed in (max,+) algebra for penalty mi-
nimization. This model integrates di(cid:27)erent nature phenomena into one single constraint. It is
nonlinear,considersprede(cid:28)nedalignmentsfortransferoperationsandisvalidatedthroughanop-
timization solver (LINGO). Secondly, linearization of such model is introduced for prioritization
of con(cid:29)icting operations. Within this context, 2 criteria are addressed : potential penalties for
clients and, on the other hand, operations criticality. The nonlinear (max,+) model minimizing
penalties is extended in order to consider alignment search and delay minimization for mainte-
nance operations. In order to address the multi-objective nature of the problem, an approach
based on genetic algorithms and (max,+)-linear system theory is proposed.
Finally,inamoreformalframework,anewsynchronousproductfortropicalautomataexploiting
parallelismphenomenaattheearliestisde(cid:28)nedinordertominimizethemakespan.Theproposed
modelsandmethodshereinhavebeenvalidatedbyindustrialdatagatheredfromtheoilcompany
PDVSA and from the supervision solutions provider Thales Group.
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0030/these.pdf
© [K. Quintero], [2015], INSA de Lyon, tous droits réservés
iv
The main contributions of this research are, (cid:28)rstly, the application of tropical approaches to
this speci(cid:28)c optimization problem, yielding concise and potentially linear models. Secondly, the
proposal of a hybrid approach based on genetic algorithms and (max,+)-linear systems, which
exploits the advantages of the distributed search of arti(cid:28)cial intelligence approaches and the
conciseness of the models stemming from (max,+) algebra. The (cid:28)nal contribution focuses on the
de(cid:28)nition of the alphabet for a new synchronous product of tropical automata.
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0030/these.pdf
© [K. Quintero], [2015], INSA de Lyon, tous droits réservés
Remerciements
Je tiens (cid:224) remercier Dieu tout d’abord pour les parents et les opportunitØs que j’ai eu. Merci
(cid:224) mes parents pour les valeurs apprises, le soutien et l’exemple de croissance qui m’a inspirØ et
continuera (cid:224) m’inspirer toute la vie. (cid:192) mon pŁre, merci de m’avoir toujours poussØ (cid:224) obtenir
des meilleurs rØsultats et (cid:224) repousser mes limites. (cid:192) ma mŁre, merci de ton dØvouement et
accompagnement lors de mes premiŁres annØes d’apprentissage, tu as fait la grande di(cid:27)Ørence.
Aux3directeursdecettethŁse:M.EricNIEL(INSAdeLyon),M.JosØAGUILAR(ULA)etM.
Philippe JEANNIN (Thales Group), un grand merci pour votre orientation et pour la con(cid:28)ance
quevousavezdØposØesurmoi,celam’apermisdemeconna(cid:238)trevraimententantquechercheuse.
Gr(cid:226)ce(cid:224)l’autonomiequevousm’avezpermisdedØvelopper,aujourd’huijesuissßrequemavraie
passion est de contribuer au dØveloppement de l’industrie et de la science. Merci (cid:224) M. Juliette
MATTIOLI (Thales Research & Technology) pour la collaboration vis-(cid:224)-vis de l’exploitation et
la dissØmination des rØsultats de cette recherche.
(cid:192) mon Øpoux Carlos, qui m’a toujours soutenu lorsque j’ai dØcidØ d’entreprendre mes travaux
de recherche. Ma rØussite est la tienne.
(cid:192) l’UniversitØ des Andes (ULA: Universidad de Los Andes), et (cid:224) tous ses professeurs et collabo-
rateurs qui m’ont formØ en tant qu’ingØnieur; ils m’ont donnØ des bases professionnelles solides
et surtout la motivation et le dØvouement pour appliquer ces connaissances et valeurs Øthiques
et morales dans des nouveaux horizons.
(cid:192) l’Øquipe de Thales pour m’avoir accueilli avec les bras ouverts, pour tous ces moments convi-
viaux que l’on a partagØ ensemble et qui m’ont permis d’avoir une transition trŁs agrØable au
milieuindustriel.SpØcialement(cid:224)SylvieMARQUER,mercidetonsoutienetmercid’Œtrecomme
tu es.
Finalement, (cid:224) toute ma famille et amis qui m’ont toujours soutenu, spØcialement (cid:224) Geraima
MEDINA, toujours trŁs impliquØe dans mes projets et rØussites malgrØ la distance.
v
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0030/these.pdf
© [K. Quintero], [2015], INSA de Lyon, tous droits réservés
Table des matiŁres
RØsumØ i
Abstract iii
Remerciements v
1 Introduction 1
1.1 Contexte de la Recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Cadre de Collaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Cas d’(cid:201)tude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Motivation et Objectifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 (cid:201)tat de l’Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 AlgŁbres Tropicales et ModŁles d’Optimisation Mono-objectif 21
2.1 AlgŁbres Tropicales - Motivation et Cadre ThØorique . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 ModØlisation du Cas d’(cid:201)tude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Fonctionnement du SystŁme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1.1 Gestion des PØnalitØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1.2 Partage de Ressources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 ModŁle Non LinØaire d’Optimisation de l’Ordonnancement d’OpØrations . 29
2.2.2.1 ModŁle Non LinØaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.3 Exploration des ModŁles LinØaires d’Optimisation de l’Ordonnancement
d’OpØrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.3.1 ModŁle LinØaire basØ sur la PØnalitØ Totale Potentielle . . . . . . 37
2.2.3.2 ModŁle LinØaire basØ sur la CriticitØ . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.4 ModŁle d’Optimisation de l’Ordonnancement d’OpØrations et de SØlection
d’Alignements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 ModŁle d’Optimisation Multi-objectif pour l’Ordonnancement d’OpØrations 53
3.1 Cadre GØnØral de la ProblØmatique d’Optimisation Multi-Objectif . . . . . . . . 54
vi
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0030/these.pdf
© [K. Quintero], [2015], INSA de Lyon, tous droits réservés
Contents vii
3.2 Optimisation Multi-Objectif et Algorithmes GØnØtiques - Notions ThØoriques . . 56
3.3 FormulationduProblŁmed’OptimisationMulti-ObjectifsousuneStructured’Al-
gorithmes GØnØtiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.1 Structure GØnomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.1.1 Vue d’Ensemble sur les Structures GØnomiques . . . . . . . . . . 60
3.3.1.2 Structure GØnomique ProposØe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.2 OpØrateur de Mutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.3 OpØrateur de Croisement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4 StratØgie (cid:201)volutionnaire et IntØgration des ModŁles AlgØbriques (Max,+) . . . . 72
3.5 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4 ModØlisation (cid:224) Base d’Automates Tropicaux pour l’Optimisation de l’Or-
donnancement d’OpØrations 83
4.1 Automates (Min,+) et (Max,+) : Notions ThØoriques . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 ModØlisation des Con(cid:29)its . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 Bases ThØoriques pour l’Alphabet ProposØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4 Alphabet du Nouveau Produit d’Automates Tropicaux . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4.1 Alphabet pour une Paire d’Automates SynchronisØs dans un SystŁme (cid:224) 3
Automates (n = 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.2 Alphabet pour Trois Paires d’Automates en Synchronisation dans un Sys-
tŁme (cid:224) 3 Automates (n = 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.3 Alphabet pour un SystŁme (cid:224) 3 Automates (n = 3) avec Tierce SynchronisØe106
4.4.4 Exemple pour un SystŁme (cid:224) 3 Automates (n = 3) . . . . . . . . . . . . . . 106
4.4.5 Extensions EnvisagØes pour n > 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5 Conclusions et Perspectives 115
5.1 Conclusion GØnØrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Glossaire 118
Bibliographie 121
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0030/these.pdf
© [K. Quintero], [2015], INSA de Lyon, tous droits réservés
Table des (cid:28)gures
1.1 SchØmatisation d’un terminal maritime pØtrolier (a) et son modŁle sous forme de
graphe non orientØ (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 (cid:201)lØments identi(cid:28)ables dans le problŁme du plus court chemin (cid:224) travers d’une
reprØsentation (min,+). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 (cid:201)lØments identi(cid:28)ables dans le problŁme des canalisations au dØbits maximaux (cid:224)
travers d’une reprØsentation (max,min). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 (cid:201)lØmentsidenti(cid:28)ablesdansleproblŁmedescheminslesplus(cid:28)ables(cid:224)traversd’une
reprØsentation (max,×). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Dynamique d’un systŁme (cid:224) ØvØnements discrets par rapport (cid:224) sa valeur propre. . 15
2.1 Alignements indØpendants (a) et en con(cid:29)it (b) pour les opØrations de transfert . 27
2.2 Synchronisation et con(cid:29)it dans les rØseaux de Petri . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 OpØrations (cid:224) ordonnancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4 Ordonnancement optimum - modŁle (max,+) non linØaire . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Ordonnancement optimal pour le systŁme (max,+) linØaire basØ sur le TPP . . . 41
2.6 Exemple pour validation du modŁle (max,+) linØaire basØ sur le PCI. . . . . . . 44
2.7 Ordonnancement optimum pour le modŁle (max,+) linØaire basØ sur le PCI . . . 46
2.8 Ordonnancements optima : a) Topologie de rØfØrence, b) ordonnancement opti-
mum pour l’instance 1, c) Ordonnancement optimum pour l’instance 2. . . . . . . 50
3.1 OpØrateurs gØnØtiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Work(cid:29)owgØnØralpourlaformulationduproblŁmemulti-objectifparuneapproche
d’algorithmes gØnØtiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3 SchØmas de reprØsentation de l’information dans les algorithmes gØnØtiques struc-
turØs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4 Instance simple pour la dØ(cid:28)nition de la structure gØnomique de la problØmatique 63
3.5 Structure gØnomique proposØe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6 Mutation des gŁnes de contr(cid:244)le et propagation vers les gŁnes de paramØtrage -
exemple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7 OpØration de croisement avec des parents ayant des structures di(cid:27)Ørentes appli-
quØe (cid:224) l’exemple de la Fig. 3.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.8 Flux d’exØcution de l’algorithme SPEA2 avec des opØrations en algŁbre (max, +). 78
viii
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2015ISAL0030/these.pdf
© [K. Quintero], [2015], INSA de Lyon, tous droits réservés