Vers une description biophysique de l'économie française : contributions méthodologiques à l'assemblage de modèles de filières

Towards a biophysical description of the French economy: methodological contributions to the assembly of supply chain models.

• Auteur / Autrice : Alexandre Borthomieu
• Direction : Peter Sturm
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mathématiques et Informatique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Kuntzmann
• Jury : Président / Présidente : Nadia Brauner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peter Sturm, Christine Solnon, Eleonore Loiseau, Alexandre Gondran
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christine Solnon, Eleonore Loiseau

Mots clés

Mots clés libres

Optimisation sous contraintes

Économie écologique

Soutenabilité

Analyse de flux de matières

Filières de production

Constrained Optimization

Ecological economics

Sustainability

Material Flow Analysis

Supply chains

Résumé

Les flux de matières et d'énergie circulant à l'intérieur de la société et entre la société et l'environnement (prélèvements de ressources et rejets vers la nature) sont la principale cause directe du franchissement des limites planétaires. La plupart des approches de modélisation et de prospective se sont pour l’instant focalisées sur des secteurs particuliers (agriculture, énergie...), permettant un bon niveau de description. Une lacune de ces approches est toutefois d'omettre les relations d'interdépendance entre tous les secteurs de l’économie. Or, une description correcte de ces interdépendances est cruciale pour comprendre la situation actuelle et imaginer des alternatives techniquement réalisables. Depuis 2015, l’équipe STEEP a développé une méthode d’analyse de flux de matière de filières de production et l’a appliquée à plusieurs cas d’étude (filières agro-alimentaires et forêt-bois en particulier). La thèse a pour objectif de permettre le passage à une description de l'ensemble de l'économie française en proposant une méthode de création pas à pas d’une table emplois-ressources physique basée sur l'assemblage des analyses de flux sectorielles pré-existantes. Cela pose un certain nombre de défis méthodologiques relevant du champ de l'évaluation environnementale, parmi lesquels la gestion simultanée et cohérente de plusieurs unités de compte, la caractérisation des flux selon leur rôle dans les processus de production (ex : flux nécessaire au fonctionnement du procédé vs. flux incorporé dans le produit transformé vs. flux utilisé comme emballage vs. flux de renouvellement d’infrastructures vs. autres facteurs de production etc.), la gestion des données manquantes et des différents niveaux de granularité disponibles, ou encore la réconciliation entre données mutuellement incompatibles. La thèse ne va pas jusqu’à la création de la table française complète mais détaille conceptuellement avec des exemples illustratifs chaque étape à suivre pour aller dans ce sens. Cette approche pose également des questions mathématiques et informatiques liées à l'utilisation d'optimisation sous contraintes dans le processus de réconciliation de données : en particulier, gestion de l'infaisabilité et calcul de résultats sous forme d'intervalles pour des problèmes sous-déterminés. Afin de comparer différents algorithmes en termes de fiabilité et de temps de calcul, un générateur d'instances aléatoires a été conçu, le problème a été mis sous une forme diffusable à la communauté de recherche opérationnelle et une réflexion a été menée sur la visualisation graphique des résultats. Un problème en particulier consiste à déterminer rapidement l'intervalle des valeurs possibles pour chaque variable dans un système d'inégalités linéaires Ax <= b. Nous comparons quelques algorithmes heuristiques pour approcher ces ensembles d'intervalles.

Material and energy flows within society and between society and the environment (resource withdrawals and discharges to nature) are the main direct cause of planetary limits being crossed. For the time being, most modelling and forecasting approaches have focused on specific sectors (agriculture, energy, etc.), providing a good level of description. However, one shortcoming of these approaches is that they fail to take account of the interdependencies between all sectors of the economy. A correct description of these interdependencies is crucial to understanding the current situation and devising technically feasible alternatives. Since 2015, the STEEP team has developed a method for analysing the material flows of production sectors and has applied it to several case studies (agri-food and forestry-wood sectors in particular). The aim of this thesis is to move towards a description of the French economy as a whole by proposing a method for the step-by-step creation of a physical jobs-resources table based on the assembly of pre-existing sectoral flow analysis. This poses a number of methodological challenges in the field of environmental assessment, including the simultaneous and consistent management of several units of account, the characterisation of flows according to their role in the production process (e.g. flow required for the operation of the process vs. flow incorporated into the processed product vs. flow used as packaging vs. flow for infrastructure renewal vs. other production factors, etc.), the management of missing data and the different levels of granularity available, and the reconciliation of mutually incompatible data. The thesis does not go as far as the creation of the complete French table, but details conceptually, with illustrative examples, each step to be taken in this direction. This approach also raises mathematical and computational questions related to the use of constrained optimisation in the data reconciliation process: in particular, management of infeasibility and calculation of results in the form of intervals for underdetermined problems. In order to compare different algorithms in terms of reliability and calculation time, a random instance generator has been designed, the problem has been put into a form that can be disseminated to the operational research community and thought has been given to the graphical visualisation of results. One problem in particular consists of rapidly determining the interval of possible values for each variable in a system of linear inequalities Ax <= b. We compare a number of heuristic algorithms for approximating these sets of intervals.