While Multi-objective Optimization (MOO) has provided many methods and tools for solving design problems, food processes have benefitted little from them. MOO encompasses the identification of performance indicators, process modelling, preference integration, trade-off assessment, and finding the best trade-offs. In this review, the use of these five elements in the design of food processes through MOO is analysed. A number of studies dealing with food processes MOO have been identified. Even though these studies improve the design process, they often approach MOO in a simplified and insufficiently rationalized way. Based on this review, several research issues are identified, related to the improvement of the different models and methods, and to the development of more holistic MOO methods for food processes. Background The challenge of food process engineering, taking into account the many constraints, is becoming increasingly difficult. Multi-objective Optimization (MOO) has provided many methods and tools to solve design problems, which often entail conflicting objectives (e.g. product quality vs. profit). Thus, only a trade-off can result from the design process, where preferences and weighting of the conflicting objectives has to be included. Scope and approach In this review, MOO methods used in food process design studies are analysed through the framework of the five elements which constitute a MOO method: i) performance indicators to quantify the design objectives; ii) a predictive process model to evaluate the different design solutions; iii) decision-maker and/or expert preferences, expressed as weights of the different objectives and satisfaction levels on indicator values; iv) a selection method to select one or several “best” trade-offs; v) an optimization algorithm to find the best design solutions among the feasible ones. Key findings and conclusions: The authors highlight the fact that more holistic MOO methods can be used to improve the design process, as numerous methods have been developed to build MOO methods, particularly in the field of Multi-criteria Decision Making (MCDM). The literature reveals that MOO is often approached in a simplified and insufficiently rationalized way, which hinders the use of MCDM methods to improve the design process. Several research issues are also identified, related to the improvement of the different models and methods, which could help develop more holistic MOO methods for food processes.

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Towards a holistic approach for multi-objective optimization of food processes: A critical review

La conception d'un systeme complexe est une etape cruciale. Ce constat est particulierement vrai dans le cadre de la conception de systemes mecatroniques, multi technologies et necessitant une approche pluridisciplinaire et collaborative. Nous nous placons ici dans le cadre de l'Ingenierie Systeme (IS) qui se focalise sur la definition des besoins et des exigences, la recherche de concepts, puis la definition d'architectures fonctionnelles et organiques d'un systeme. L'IS promeut pour cela un certain nombre de concepts, de processus et une demarche maintenant eprouves en industrie, souvent normalises tout en faisant l'objet de nombreux travaux de recherche. En particulier, nous nous interessons ici a un processus dit support de l'IS, le processus d'evaluation. Nous nous focalisons particulierement sur l'evaluation de l'efficacite puis la comparaison des differentes solutions d'architectures fonctionnelles et organiques d'un systeme mecatronique qui emergent invariablement de la conception. Le but de ce processus est de guider et d'aider au choix, parmi ces architectures candidates mais souvent incompletes ou a tout le moins immatures en debut de conception, d'une solution permettant de maximiser la satisfaction des besoins de toutes les parties prenantes du systeme. La mise en œuvre de cette evaluation se heurte a plusieurs difficultes. Tout d'abord, la vision consensuelle et unifiee de donnees, informations et connaissances mais aussi des activites proprement dites d'evaluation, ‘au-dessus' des metiers impliques dans la conception, reste limitee. C'est un premier verrou traite dans ces travaux car son absence est ainsi un frein a l'evaluation objective et partagee d'une solution. Pour contribuer a cette vision consensuelle, il est propose un modele conceptuel des donnees de l'evaluation en ingenierie systeme. Ensuite, l'estimation des consequences des choix tout au long d'une conception resolument iterative et qui procede donc a petits pas, le traitement d'objectifs multiples voire contradictoires et la prise en compte de l'incertitude propre a la conception sont autant de problemes classiques en conception. C'est le verrou central sur lequel ce travail a porte. L'estimation des choix de conception est traitee d'abord par une formalisation des liens de tracabilite entre les exigences, fonctions et composants de la conception. Cette formalisation est un prealable a la detection et correction des incoherences des liens de tracabilite en vue de l'identification automatisee des impacts potentiels des choix d'element d'architecture sur les differents criteres de satisfaction du systeme a faire. Une articulation entre les modeles de comportement du systeme a faire et les modeles de decision est ensuite proposee pour agreger le degre de satisfaction des objectifs de la conception, et ainsi assurer la gestion des objectifs multiples voire opposes des parties prenantes. Des techniques d'evaluation qualitative sont enfin proposees afin de trier les alternatives de solution de conception selon leur degre de satisfaction en tenant compte du niveau de maturite croissant mais incertain de la solution. Enfin, on peut regretter le manque d'un environnement de travail permettant de modeliser le systeme et de proceder aux analyses et evaluations de la solution. Les deux contributions synthetisees ci-dessus ont donc fait l'objet d'une integration dans un atelier d'IS existant, offrant ainsi un continuum entre activites de conception et activites d'evaluation. Le resultat est ainsi un guide methodologie outille pour l'evaluation de systemes mecatroniques en conception. Mots cles : Ingenierie Systeme, conception, evaluation, systeme complexe, systeme mecatronique, solution d'architecture, tracabilite, analyse qualitative.

Contribution à l’évaluation d'architectures en Ingénierie Système : application à la conception de systèmes mécatroniques

Le present travail concerne le developpement d'une methode d'eco-conception pour la creation de produits impliquant des indicateurs environnementaux pour l’aide a la prise de decision au stade de la conception conceptuelle. La methode proposee s’appuie sur la definition et la generation d’un TRIPLET, c’est-a-dire une relation coherente entre materiaux, procedes et formes. Une taxonomie de formes caracterise les differentes formes realisables par les procedes de fabrication. Un tableau de description du concept (DCT) regroupe certaines dimensions globales de la piece imaginee ainsi que les procedes d’enlevement de matiere de finition venant s’additionner au procede de base selectionne. Un indicateur environnemental base sur la base RECIPE et adapte a la methode peut etre alors evalue. La demarche d’aide a la conception concue integre deux approches, deductive et inductive basees sur l'experience du concepteur. Le DCT comprend le choix d’un solide de base qui suggere, a partir des surfaces fonctionnelles definies dans la demarche, une reflexion vers une esquisse du concept de piece. Les differents concepts elabores sont hierarchises a partir d’une aide a la decision multicritere basee sur l’indicateur environnemental, sur un cout de fabrication, sur un indice de performance et sur un indice de combinaison obtenu par logique floue. La demarche s’appuie sur une base de donnees lie aux connaissances requises et sur un outil logiciel « ECOTRIAL ». Une application de reconception d’une piece de liaison clot la these et montre l’applicabilite de la methode proposee.

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Aide à décision en conception préliminaire par l'estimation du poids de la performance environnementale

La conception des ouvrages en Genie Civil se fait habituellement de maniere semi-probabiliste en employant des valeurs caracteristiques auxquelles sont associees des facteurs partiels de securite. Toutefois, de telles approches ne permettent pas de garantir la robustesse de l’ouvrage concu vis-a-vis des sources d’incertitudes susceptibles d’affecter ses performances au cours de sa realisation et de son fonctionnement. Nous proposons dans ce memoire une methodologie d’aide a la decision pour la conception robuste des ouvrages qui est appliquee a une structure metallique reposant sur des fondations superficielles. La conception de cet ouvrage est conduite en integrant le phenomene d’interaction sol-structure qui implique que les choix de conception faits sur la fondation influencent ceux faits sur la structure supportee (et reciproquement). La demarche de conception proposee fait appel a des outils d’optimisation multi-objectif et d’aide a la decision afin d’obtenir une solution qui offre le meilleur compromis entre l’ensemble des preferences enoncees par le decideur sur chaque critere de conception. Des analyses de sensibilite sont menees parallelement dans le but d’identifier et de quantifier les sources d’incertitude les plus influentes sur la variabilite des performances de l’ouvrage. Ces sources d’incertitude representees sous une forme probabiliste sont integrees dans la procedure de conception et propagees a l’aide d’une methode d’echantillonnage par hypercube latin. Une partie du memoire est consacree a l’analyse des effets de l’incertitude relative a la modelisation des parametres geotechniques sur la reponse de l’ouvrage et sur la demarche plus globale d’optimisation.

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Optimisation multi-objectif et aide à la décision pour la conception robuste. : Application à une structure industrielle sur fondations superficielles

Designing high performance cooling systems suitable for preserving the service lifetime of nozzle guide vanes of turboshaft engines leads to significant aerodynamic losses. These losses jeopardize the performance of the whole engine. In the same time, a low efficiency cooling system may affect the costs of maintenance repair and overhaul of the engine as component life decreases. Consequently, designing cooling systems of gas turbine vanes is related to a multiobjective design problem. In this paper, it is addressed by investigating the functioning of a blade and optimizing its design by means of an evolutionary algorithm. Systematic 3D CFD simulations are performed to solve the aero-thermal problem. Then, the initial multiobjective problem is solved by aggregating the multiple design objectives into one single relevant and balanced mono-objective function; two different types of mono-objective functions are proposed and compared. This paper also proposes to enhance available knowledge in the literature of cooling systems of gas turbine vanes by simulating the internal cooling system of the vane. From simulations thermal efficiency and aerodynamic losses are compared and their respective influences on the global performances of the whole engine are investigated. Finally, several optimal designs are proposed.

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Turbine Blade Cooling System Optimization

En conception de produits, l'etape de conception dite architecturale doit aboutir a une solution decrivant les caracteristiques du produit, telles que les dimensions ou le choix de composants. Parmi les nombreuses solutions potentielles, il est necessaire d'effectuer un choix et de pouvoir le justifier de maniere rigoureuse. Ce choix doit en outre integrer l'eventuelle presence d'une solution de reference, pouvant par exemple etre issue de projets anterieurs, ou d'etudes preliminaires. Dans ce but, nos travaux presentent une methode d'aide a la decision en vue de selectionner une solution de conception ; nous la nommons methode OIA (Observation-Interpretation-Agregation). Cette methode emploie deux types de modele, l'un pour formaliser le comportement objectif du produit (Observation), l'autre pour les preferences subjectives du concepteur (Interpretation). Dans ces preferences, nous incluons le comportement attendu du produit, la satisfaction du concepteur ainsi que les compromis intrinsequement realises lors du processus de conception. Ces compromis sont realises au travers de strategies de conception et de logiques de ponderations (Agregation). La methode OIA est employee une premiere fois pour qualifier les solutions de conception en termes de performance. Cette methode est ensuite appliquee une seconde fois afin de qualifier la solution par rapport a la solution de reference, en termes de confiance accordee par le concepteur. Nous introduisons la notion d'arc-elasticite en conception comme un indicateur de compromis entre performance et confiance pour une solution de conception. Plusieurs algorithmes stochastiques d'optimisation sont compares comme methodes de recherche de solutions candidates pertinentes. Nous les detaillons, les comparons et proposons une methode de selection multicritere afin d'identifier l'algorithme le plus pertinent. Notre travail est applique au dimensionnement d'une jonction rivetee dans un contexte aeronautique industriel.

Arnaud Collignan

Papers

Méthode d'optimisation et d'aide à la décision en conception mécanique : application à une structure aéronautique