Résolution de grands problèmes en optimisation stochastique dynamique et synthèse de lois de commande

Solving large-scale dynamic stochastic optimization problems

• Auteur / Autrice : Pierre Girardeau
• Direction : Guy Cohen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées et applications des mathématiques
• Date : Soutenance le 17/12/2010
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'enseignement et de recherche en mathématiques et calcul scientifique (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Nizar Touzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Cohen, Pierre Carpentier, Andrew Philpott, Kengy Barty, Felisa Vazquez-Abad
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Pierre Quadrat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande numérique

Programmation dynamique

Analyse stochastique

Mots clés libres

Optimisation stochastique

Grands systèmes

Commande optimale

Programmation dynamique

Stochastic optimization

Large-scale systems

Optimal control

Dynamic programming

Résumé

Le travail présenté ici s'intéresse à la résolution numérique de problèmes de commande optimale stochastique de grande taille. Nous considérons un système dynamique, sur un horizon de temps discret et fini, pouvant être influencé par des bruits exogènes et par des actions prises par le décideur. L'objectif est de contrôler ce système de sorte à minimiser une certaine fonction objectif, qui dépend de l'évolution du système sur tout l'horizon. Nous supposons qu'à chaque instant des observations sont faites sur le système, et éventuellement gardées en mémoire. Il est généralement profitable, pour le décideur, de prendre en compte ces observations dans le choix des actions futures. Ainsi sommes-nous à la recherche de stratégies, ou encore de lois de commandes, plutôt que de simples décisions. Il s'agit de fonctions qui à tout instant et à toute observation possible du système associent une décision à prendre. Ce manuscrit présente trois contributions. La première concerne la convergence de méthodes numériques basées sur des scénarios. Nous comparons l'utilisation de méthodes basées sur les arbres de scénarios aux méthodes particulaires. Les premières ont été largement étudiées au sein de la communauté ''Programmation Stochastique''. Des développements récents, tant théoriques que numériques, montrent que cette méthodologie est mal adaptée aux problèmes à plusieurs pas de temps. Nous expliquons ici en détails d'où provient ce défaut et montrons qu'il ne peut être attribué à l'usage de scénarios en tant que tel, mais plutôt à la structure d'arbre. En effet, nous montrons sur des exemples numériques comment les méthodes particulaires, plus récemment développées et utilisant également des scénarios, ont un meilleur comportement même avec un grand nombre de pas de temps. La deuxième contribution part du constat que, même à l'aide des méthodes particulaires, nous faisons toujours face à ce qui est couramment appelé, en commande optimale, la malédiction de la dimension. Lorsque la taille de l'état servant à résumer le système est de trop grande taille, on ne sait pas trouver directement, de manière satisfaisante, des stratégies optimales. Pour une classe de systèmes, dits décomposables, nous adaptons des résultats bien connus dans le cadre déterministe, portant sur la décomposition de grands systèmes, au cas stochastique. L'application n'est pas directe et nécessite notamment l'usage d'outils statistiques sophistiqués afin de pouvoir utiliser la variable duale qui, dans le cas qui nous intéresse, est un processus stochastique. Nous proposons un algorithme original appelé Dual Approximate Dynamic Programming (DADP) et étudions sa convergence. Nous appliquons de plus cet algorithme à un problème réaliste de gestion de production électrique sur un horizon pluri-annuel. La troisième contribution de la thèse s'intéresse à une propriété structurelle des problèmes de commande optimale stochastique : la question de la consistance dynamique d'une suite de problèmes de décision au cours du temps. Notre but est d'établir un lien entre la notion de consistance dynamique, que nous définissons de manière informelle dans le dernier chapitre, et le concept de variable d'état, qui est central dans le contexte de la commande optimale. Le travail présenté est original au sens suivant. Nous montrons que, pour une large classe de modèles d'optimisation stochastique n'étant pas a priori consistants dynamiquement, on peut retrouver la consistance dynamique quitte à étendre la structure d'état du système

This work is intended at providing resolution methods for Stochastic Optimal Control (SOC) problems. We consider a dynamical system on a discrete and finite horizon, which is influenced by exogenous noises and actions of a decision maker. The aim is to minimize a given function of the behaviour of the system over the whole time horizon. We suppose that, at every instant, the decision maker is able to make observations on the system and even to keep some in memory. Since it is generally profitable to take these observations into account in order to draw further actions, we aim at designing decision rules rather than simple decisions. Such rules map to every instant and every possible observation of the system a decision to make. The present manuscript presents three main contributions. The first is concerned with the study of scenario-based solving methods for SOC problems. We compare the use of the so-called scenario trees technique to the particle method. The first one has been widely studied among the Stochastic Programming community and has been somehow popular in applications, until recent developments showed numerically as well as theoretically that this methodology behaved poorly when the number of time steps of the problem grows. We here explain this fact in details and show that this negative feature is not to be attributed to the scenario setting, but rather to the use of a tree structure. Indeed, we show on numerical examples how the particle method, which is a newly developed variational technique also based on scenarios, behaves in a better way even when dealing with a large number of time steps. The second contribution starts from the observation that, even with particle methods, we are still facing some kind of curse of dimensionality. In other words, decision rules intrisically suffer from the dimension of their domain, that is observations (or state in the Dynamic Programming framework). For a certain class of systems, namely decomposable systems, we adapt results concerning the decomposition of large-scale systems which are well known in the deterministic case to the SOC case. The application is not straightforward and requires some statistical analysis for the dual variable, which is in our context a stochastic process. We propose an original algorithm called Dual Approximate Dynamic Programming (DADP) and study its convergence. We also apply DADP to a real-life power management problem. The third contribution is concerned with a rather structural property for SOC problems: the question of dynamic consistency for a sequence of decision making problems over time. Our aim is to establish a link between the notion of time consistency, that we loosely define in the last chapter, and the central concept of state structure within optimal control. This contribution is original in the following sense. Many works in the literature aim at finding optimization models which somehow preserve the ''natural'' time consistency property for the sequence of decision making problems. On the contrary, we show for a broad class of SOC problems which are not a priori time-consistent that it is possible to regain this property by simply extending the state structure of the model