Derivative-free optimization under uncertainty applied to costly simulators

La modélisation de phénomènes complexes rencontrés dans les problématiques industrielles peut conduire à l'étude de codes de simulation numérique. Ces simulateurs peuvent être très coûteux en temps d'exécution (de quelques heures à plusieurs jours), mettre en jeu des paramètres incertains et même être intrinsèquement stochastiques. Fait d'importance en optimisation basée sur de tels simulateurs, les dérivées des sorties en fonction des entrées peuvent être inexistantes, inaccessibles ou trop coûteuses à approximer correctement. Ce mémoire est organisé en quatre chapitres. Le premier chapitre traite de l'état de l'art en optimisation sans dérivées et en modélisation d'incertitudes. Les trois chapitres suivants présentent trois contributions indépendantes --- bien que liées --- au champ de l'optimisation sans dérivées en présence d'incertitudes. Le deuxième chapitre est consacré à l'émulation de codes de simulation stochastiques coûteux --- stochastiques au sens où l'exécution de simulations avec les mêmes paramètres en entrée peut donner lieu à des sorties distinctes. Tel était le sujet du projet CODESTOCH mené au Centre d'été de mathématiques et de recherche avancée en calcul scientifique (CEMRACS) au cours de l'été 2013 avec deux doctorants de Électricité de France (EDF) et du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA). Nous avons conçu quatre méthodes de construction d'émulateurs pour des fonctions dont les valeurs sont des densités de probabilité. Ces méthodes ont été testées sur deux exemples-jouets et appliquées à des codes de simulation industriels concernés par trois phénomènes complexes: la distribution spatiale de molécules dans un système d'hydrocarbures (IFPEN), le cycle de vie de grands transformateurs électriques (EDF) et les répercussions d'un hypothétique accident dans une centrale nucléaire (CEA). Dans les deux premiers cas l'émulation est une étape préalable à la résolution d'un problème d'optimisation. Le troisième chapitre traite de l'influence de l'inexactitude des évaluations de la fonction objectif sur la recherche directe directionnelle --- un algorithme classique d'optimisation sans dérivées. Dans les problèmes réels, l'imprécision est sans doute toujours présente. Pourtant les utilisateurs appliquent généralement les algorithmes de recherche directe sans prendre cette imprécision en compte. Nous posons trois questions. Quelle précision peut-on espérer obtenir, étant donnée l'inexactitude ? À quel prix cette précision peut-elle être atteinte ? Quels critères d'arrêt permettent de garantir cette précision ? Nous répondons à ces trois questions pour l'algorithme de recherche directe directionnelle appliqué à des fonctions dont l'imprécision sur les valeurs --- stochastique ou non --- est uniformément bornée. Nous déduisons de nos résultats un algorithme adaptatif pour utiliser efficacement des oracles de niveaux de précision distincts. Les résultats théoriques et l'algorithme sont validés avec des tests numériques et deux applications réelles: la minimisation de surface en conception mécanique et le placement de puits pétroliers en ingénierie de réservoir. Le quatrième chapitre est dédié aux problèmes d'optimisation affectés par des paramètres imprécis, dont l'imprécision est modélisée grâce à la théorie des ensembles flous. Plusieurs méthodes ont déjà été publiées pour résoudre les programmes linéaires où apparaissent des coefficients flous, mais très peu pour traiter les problèmes non linéaires. Nous proposons un algorithme pour répondre à une large classe de problèmes par tri non-dominé itératif.The modeling of complex phenomena encountered in industrial issues can lead to the study of numerical simulation codes. These simulators may require extensive execution time (from hours to days), involve uncertain parameters and even be intrinsically stochastic. Importantly within the context of simulation-based optimization, the derivatives of the outputs with respect to the inputs may be inexistent, inaccessible or too costly to approximate reasonably. This thesis is organized in four chapters. The first chapter discusses the state of the art in derivative-free optimization and uncertainty modeling. The next three chapters introduce three independent---although connected---contributions to the field of derivative-free optimization in the presence of uncertainty. The second chapter addresses the emulation of costly stochastic simulation codes---stochastic in the sense simulations run with the same input parameters may lead to distinct outputs. Such was the matter of the CODESTOCH project carried out at the Summer mathematical research center on scientific computing and its applications (CEMRACS) during the summer of 2013, together with two Ph.D. students from Electricity of France (EDF) and the Atomic Energy and Alternative Energies Commission (CEA). We designed four methods to build emulators for functions whose values are probability density functions. These methods were tested on two toy functions and applied to industrial simulation codes concerned with three complex phenomena: the spatial distribution of molecules in a hydrocarbon system (IFPEN), the life cycle of large electric transformers (EDF) and the repercussions of a hypothetical accidental in a nuclear plant (CEA). Emulation was a preliminary process towards optimization in the first two cases. In the third chapter we consider the influence of inaccurate objective function evaluations on direct search---a classical derivative-free optimization method. In real settings inaccuracy may never vanish, however users usually apply direct search algorithms disregarding inaccuracy. We raise three questions. What precision can we hope to achieve, given the inaccuracy? How fast can this precision be attained? What stopping criteria can guarantee this precision? We answer these three questions for directional direct search applied to objective functions whose evaluation inaccuracy stochastic or not is uniformly bounded. We also derive from our results an adaptive algorithm for dealing efficiently with several oracles having different levels of accuracy. The theory and algorithm are validated with numerical tests and two industrial applications: surface minimization in mechanical design and oil well placement in reservoir engineering. The fourth chapter considers optimization problems with imprecise parameters, whose imprecision is modeled with fuzzy sets theory. A number of methods have been published to solve linear programs involving fuzzy parameters, but only a few as for nonlinear programs. We propose an algorithm to address a large class of fuzzy optimization problems by iterative non-dominated sorting. The distributions of the fuzzy parameters are assumed only partially known. We also provide a criterion to assess the precision of the solutions and make comparisons with other methods found in the literature. We show that our algorithm guarantees solutions whose level of precision at least equals the precision on the available data