Note publique d'information : L’objectif principal de cette étude est de définir les méthodes nécessaires pour optimiser
un réseau de surveillance conçu pour la caractérisation de source de rejets atmosphériques.
L’optimisation consiste ici à déterminer le nombre et les positions optimales de capteurs
à déployer afin de répondre à ce type de besoin. Dans ce contexte, l’optimisation
est réalisée pour la première fois par un couplage entre la technique d’inversion
de données dite de « renormalisation » et des algorithmes d’optimisation métaheuristique.
La méthode d’inversion a été en premier lieu évaluée pour la caractérisation de source
ponctuelle, et a permis ensuite, de définir des critères d’optimalité pour la conception
des réseaux. Dans cette étude, le processus d’optimisation a été évalué dans le cadre
d’expériences réalisées en terrain plat sans obstacles (DYCE) et en milieu urbain
idéalisé (MUST). Trois problématiques ont été définies et testées sur ces expériences.
Elles concernent (i) la détermination de la taille optimale d’un réseau permettant
de caractériser une source de pollution, où une fonction coût (erreurs normalisées),
traduisant l’écart entre les observations et les données modélisées, a été minimisée
; (ii) la conception optimale d’un réseau permettant de caractériser une source ponctuelle
inconnue, pour une condition météorologique particulière. Dans ce contexte, une fonction
coût entropique a été maximisée afin d’augmenter la quantité d’information fournie
par le réseau ; (iii) la détermination d’un réseau optimal permettant de caractériser
une source ponctuelle inconnue pour des configurations météorologiques multiples.
Pour ce faire, une fonction coût entropique généralisée, que nous avons définie, a
été maximisée. Pour ces trois problématiques, l’optimisation est assurée dans le cadre
d’une approche d’optimisation combinatoire. La détermination de la taille optimale
d’un réseau (problématique 1) s’est révélée particulièrement sensible aux différentes
conditions expérimentales (hauteur et débit de la source, conditions de stabilité,
vitesse et direction du vent, etc.). Nous avons noté pour ces expériences, que les
performances des réseaux sont meilleures dans le cadre d’une dispersion sur terrain
plat comparativement aux milieux urbains. Nous avons également montré que différentes
architectures de réseaux pouvaient converger vers le même optimum (approché ou global).
Pour la caractérisation de sources inconnues (problématiques 2 et 3), les fonctions
coûts entropiques se sont avérées robustes et ont permis d’obtenir des réseaux optimaux
performants (de tailles raisonnables) capables de caractériser différentes sources
pour une ou plusieurs conditions météorologiques.
Note publique d'information : The main objective of this study is to define the methods required to optimize a monitoring
network designed for atmospheric source characterization. The optimization consists
in determining the optimal number and locations of sensors to be deployed in order
to respond to such needs. In this context, the optimization is performed for the first
time by a coupling between the data inversion technique named "renormalization" and
the metaheuristic optimization algorithms. At first, the inversion method was evaluated
for a point source, and then have allowed to define optimality criteria for networks
design. In this study, the optimization process was evaluated in experiments carried
out in flat terrain without obstacles (DYCE) and in an idealized urban environment
(MUST). Three problems were defined and tested based on these experiments. These problems
concern (i) the determination of the optimal network size for source characterization,
for which a cost function (standard errors) estimating the gap between observations
and modeled data, has been minimized; (ii) the optimal design of a network to retrieve
an unknown point source for a particular meteorological condition. In this context,
an entropy cost function has been maximized in order to increase the information’s
amount provided by the network; (iii) the determination of an optimal network to reconstruct
an unknown point source for multiple meteorological configurations. For this purpose,
a generalized entropic cost function that we have defined, has been maximized. For
these all problems, optimization is ensured within the framework of a combinatorial
optimization approach. The determination of the optimal network size (problem 1) was
highly sensitive to experimental conditions (source height and intensity, stability
conditions, wind speed and direction, etc.). We have noted that the networks performance
is better for a dispersion on flat terrain compared to the urban environments. We
have also shown that different networks architectures can converge towards the same
optimum (approximate or global). For unknown sources reconstruction (problems 2 and
3), the entropic cost functions have proven to be robust and allowed to obtain optimal
networks (for reasonable sizes) capable of characterizing different sources for one
or multiple meteorological conditions.