Modélisation et simulation d'effets cascades dans un contexte de risques naturels et technologiques : aide à la décision pour la gestion territoriale des risques et la maintenance des installations // Modeling and simulation of cascading effects in the co

Les phénomènes naturels se combinent parfois avec des dangers technologiques pour aboutir à des combinaisons de conséquences aggravées, inattendues. Il peut s'agir, par exemple, d'une inondation qui rend inopérant un réseau électrique causant successivement l'arrêt d'un dispositif de refroidissement, la montée en pression d'un équipement contenant des gaz toxiques ou inflammables et leur libération à l'atmosphère par déclenchement d'organes de sécurité (ex : soupapes) ou par éclatement pneumatique de cet équipement. On parle alors de risque et de scénarios NaTech. Les sites industriels (énergie, chimie, unités de transformation, matériaux, métallurgie…) sont soumis à un grand nombre de menaces et défaillances ayant des causes internes (défaillances matérielles de composants, systèmes indépendants ou en interaction, erreurs humaines) ou externes (agressions naturelles, effets dominos, défaillances de réseaux critiques). Elles peuvent impacter les équipements à risques (contenant des substances dangereuses) et leurs barrières de sécurité (proactives et réactives) mais aussi les infrastructures et systèmes de gestion des flux de matière, souvent vulnérables et dépendants des atteintes aux réseaux critiques externes (énergie, eau, communication, transport).

Des modèles de simulation intégrant des éléments stochastiques et la modélisation de phénomènes physiques sont mis en œuvre pour décrire les séquences d'évènements accidentels et d'effets dominos à l'intérieur et l'extérieur d'un site industriel. Ces informations sont utilisées de manière préventive pour anticiper et se préparer à la gestion d'évènements (pouvant évoluer en crise) en alimentant la conception de plans d'urgence et l'animation d'exercices. Différents dispositifs de détection, prévention et protection (techniques, humains, organisationnels) sont mis en place pour jouer le rôle de barrières de sécurité. Mais, à l'heure actuelle, l'analyse des risques technologiques pour les installations classées utilise des outils statiques qui identifient les causes unitaires et indépendantes et décrivent les scénarios comme des chemins linéaires événement initiateur et une conséquence accidentelle potentiellement grave prenant en compte le succès ou l'échec des barrières indépendantes entre elles. Les agressions externes sont considérées soit de manière déterministe (l'installation doit résister à un phénomène de référence) soit de manière probabiliste mais sans caractériser l'intensité et la cinétique de l'évènement naturel et des défaillances technologiques induites.

Les objectifs de la thèse sont de décrire les scénarios et quantifier les risques associés aux phénomènes naturels susceptibles de générer des défaillances simultanées sur les installations technologiques et industrielles et de générer des conséquences multiples et des effets cascades. Elle s'intéresse prioritairement à la phase de d'analyse, d'évaluation et de prévention des risques en considérant a priori les séquences d'événements initiateurs et d'évènements induits (les conséquences) ainsi que le comportement des différentes barrières de sécurité. La thèse est fortement connectée à des problématiques pratiques et opérationnelles. Elle ambitionne de répondre à un enjeu et un besoin fort pour élargir les modélisations et plus largement les approches de d'aide à la décision et de gestion des risques en adoptant une approche de modélisation dynamique pour considérer des scénarios de type Natech en cascade à l'échelle d'un territoire comprenant différents sites industriels, des enjeux humains, matériels et des infrastructures critiques (réseaux de transports, électriques, de communication…).
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Natural phenomena sometimes combine with technological hazards to produce compounded, aggravated, and unexpected consequences. For example, a flood might disable an electrical network, which in turn causes the shutdown of a cooling system, leading to pressure buildup in equipment containing toxic or flammable gases. This pressure may trigger safety devices (e.g., relief valves) or even cause the equipment to rupture, releasing dangerous substances into the atmosphere. Such events are referred to as NaTech (Natural Hazard Triggering Technological Disasters) risks and scenarios. Industrial sites (such as those involved in energy production, chemical processes, material transformation, metallurgy, etc.) are exposed to a wide range of threats and failures. These may stem from internal causes (component malfunctions, independent or interacting system failures, human error) or external causes (natural hazards, domino effects, failures in critical infrastructure networks). These disruptions can affect hazardous equipment (containing dangerous substances), their safety barriers (both proactive and reactive), as well as infrastructure and systems managing material flows—which are often vulnerable and highly dependent on external critical networks (energy, water, communication, transport).
Simulation models incorporating stochastic elements and physical phenomena modeling are used to describe sequences of accidental events and domino effects both within and beyond an industrial site. This information is used preventively to anticipate and prepare for event management (which can escalate into crises), supporting the design of emergency plans and the organization of drills. Various technical, human, and organizational detection, prevention, and protection systems are put in place to function as safety barriers. However, current risk analysis methods for classified industrial installations typically use static tools that identify single, independent causes and describe scenarios as linear chains between an initiating event and a potentially serious accident, considering the independent success or failure of safety barriers. External hazards are considered either deterministically (the facility must withstand a reference event) or probabilistically, but without characterizing the intensity and dynamics of the natural event or the technological failures it might trigger.
The objectives of the thesis are to develop a methodology to describe scenarios and quantify risks associated with natural phenomena that may cause simultaneous failures in technological and industrial facilities, leading to multiple consequences and cascading effects. The research will primarily focus on risk analysis, assessment, and prevention, considering a priori the initiating event sequences and their consequences, as well as the behavior of various safety barriers.
This thesis is strongly linked to practical and operational challenges. It aims to meet an urgent need by expanding existing modeling approaches and more broadly decision-support and risk management methodologies, through the adoption of dynamic modeling for cascading NaTech scenarios at the scale of a territory that includes multiple industrial sites, human and material stakes, and critical infrastructure (transportation, power, communication networks...).
The risk analysis developed will require: Formalizing a model of the industrial installation (and, in the longer term, of the surrounding territory); Using simulations that integrate the probability of event occurrence along with the physics and dynamics of phenomena and their effects on equipment and stakes, to analyze scenarios involving simultaneous events and sequences of events whose probability, intensity, and kinetics are to be characterized.
A specific focus will be placed on studying the dynamics of a large-scale NaTech crisis over a territory exposed to floods, coastal submersion, storms, and also extreme heat episodes.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université Grenoble Alpes

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal

Cette thèse s'adresse à un(e) candidat(e) rigoureux(se) et curieux(se) disposant d'un ou préparant un diplôme de niveau BAC +5 minimum intéressé(e) par la recherche appliquée transdisciplinaire dans les domaines des risques naturels, technologiques en combinant la sûreté de fonctionnement, la modélisation et la simulation numérique, et l'aide à la décision. Il (Elle) devra maîtriser les approches quantitatives d'analyse de risque et il (elle) devra être capable de concevoir et développer des outils informatiques associées aux méthodes de simulation dynamique sui seront proposées. La thèse s'inscrit dans le PEPR Risques (IRiMa) (et plus particulièrement dans son programme ciblé sur les risques NaTech), projet national d'envergure multi-partenaires et fortement connecté avec le tissu industriel, les collectivités, les gestionnaires d'infrastructures. Le(a) candidat(e) devra avoir le goût pour le travail en équipe et une bonne capacité de communication. La thèse sera réalisée au laboratoire GIPSA-Lab (Campus universitaire de Grenoble) en collaboration avec INRAE/IGE et l'INERIS et sera rattachée à l'École Doctorale : EEATS (Électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal) de l'Université Grenoble Alpes.
This PhD thesis is intended for a rigorous and curious candidate who holds or is currently completing a Master's degree (equivalent to at least five years of higher education) and is interested in applied, transdisciplinary research in the fields of natural and technological risks. The work will combine risk analysis, reliability engineering, modeling and numerical simulation, and decision support. The candidate must have a solid command of quantitative risk analysis approaches and be capable of designing and developing computer tools associated with the dynamic simulation methods that will be proposed. The thesis is part of the national PEPR Risques (IRiMa) program —specifically within its focus on NaTech (Natural-Technological) risks. This is a large-scale, multi-partner project that is strongly connected with industry, local authorities, and infrastructure managers. The ideal candidate will enjoy teamwork and possess strong communication skills. The PhD will be carried out at GIPSA-Lab (Grenoble Alpes University Campus), in collaboration with INRAE/IGE and INERIS , and will be affiliated with the EEATS Doctoral School (Electronics, Electrical Engineering, Automatic Control, Signal Processing) at Université Grenoble Alpes.