identifier: Samadi, B. (2020). Identifying the Severity of Adolescent Idiopathic Scoliosis During Gait by Using Machine Learning  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose idiopathique de l'adolescent (SIA) est une déformation de la colonne vertébrale dans les trois plans de l'espace objectivée par un angle de Cobb ≥  10°. Celle-ci affecte les adolescents âgés entre 10 et 16 ans. L'étiologie de la scoliose demeure à ce jour inconnue malgré des recherches approfondies. Différentes hypothèses telles que l'implication de facteurs génétiques, hormonaux, biomécaniques, neuromusculaires ou encore des anomalies de croissance ont été avancées. Chez ces adolescents, l'ampleur de la déformation de la colonne vertébrale est objectivée par mesure manuelle de l'angle de Cobb sur radiographies antéropostérieures. Cependant, l'imprécision inter / intra observateur de cette mesure, ainsi que de l'exposition fréquente (biannuelle) aux rayons X que celle-ci nécessite pour un suivi adéquat, sont un domaine qui préoccupe la communauté scientifique et clinique. Les solutions proposées à cet effet concernent pour beaucoup l'utilisation de méthodes assistées par ordinateur, telles que des méthodes d'apprentissage machine utilisant des images radiographiques ou des images du dos du corps humain. Ces images sont utilisées pour classer la sévérité de la déformation vertébrale ou pour identifier l'angle de Cobb. Cependant, aucune de ces méthodes ne s'est avérée suffisamment précise pour se substituer l'utilisation des radiographies.   Parallèlement, les recherches ont démontré que la scoliose modifie le schéma de marche des personnes qui en souffrent et par conséquent également les efforts intervertébraux. C'est pourquoi, l'objectif de cette thèse est de développer un modèle non invasif d'identification de la sévérité de la scoliose grâce aux mesures des efforts intervertébraux mesurés durant la marche. Pour atteindre cet objectif, nous avons d'abord comparé les efforts intervertébraux calculés par un modèle dynamique multicorps, en utilisant la dynamique inverse, chez 15 adolescents atteints de SIA avec différents types de courbes et de sévérités et chez 12 adolescents asymptomatiques (à titre comparatif). Par cette comparaison, nous avons pu objectiver que les efforts intervertébraux les plus discriminants pour prédire la déformation vertébrale étaient la force et le couple antéro-postérieur et la force médio-latérale. Par la suite, nous nous sommes concentrés sur la classification de la sévérité de la déformation vertébrale de 30 AIS ayant une courbure thoraco-lombaire / lombaire. Pour ce faire, nous avons testé différents modèles de classification. L'angle de Cobb a été identifié en exécutant différents modèles de régression. Les caractéristiques (features) servant à alimenter les algorithmes d'entraînement ont été choisies en fonction des efforts intervertébraux les plus pertinents à la déformation vertébrale au niveau de la charnière lombo-sacrée (vertèbres allantes de L5-S1). Les précisions les plus élevées pour la classification exécutant différents algorithmes ont été obtenues par un algorithme de classification d'ensemble comprenant les “K-nearest neighbors”, “Support vector machine”, “Random forest”, “multilayer perceptron”, et un modèle de “neural networks” avec une précision de 91.4% et 93.6%, respectivement. De même, le modèle de régression par “Decision tree” parmi les autres modèles a obtenu le meilleur résultat avec une erreur absolue moyenne égale à 4.6° de moyenne de validation croisée de 10 fois.  En conclusion, nous pouvons dire que cette étude démontre une relation entre la déformation de la colonne vertébrale et les efforts intervertébraux mesurés lors de la marche. L'angle de Cobb a été identifié à l'aide d'une méthode sans rayonnement avec une précision prometteuse égale à 4.6°. Il s'agit d'une amélioration majeure par rapport aux méthodes précédemment proposées ainsi que par rapport à la mesure classique réalisée par des spécialistes présentant une erreur entre 5° et 10° (ceci en raison de la variation intra/inter observateur). L'algorithme que nous vous présentons peut être utilisé comme un outil d'évaluation pour suivre la progression de la scoliose. Il peut être considéré comme une alternative à la radiographie. Des travaux futurs devraient tester l'algorithme et l'adapter pour d'autres formes de SIA, telles que les scolioses lombaire ou thoracolombaire.  ABSTRACT: Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a 3D deformation of the spine and rib cage greater than 10° that affects adolescents between the ages of 10 and 16 years old. The true etiology is unknown despite extensive research and investigation. However, different theories such as genetic and hormonal factors, growth abnormalities or biomechanical and neuromuscular reasons have been proposed as possible causes. The magnitude of spinal deformity in AIS is measured by the Cobb angle in degrees as the gold standard through the X-rays by specialists. The inter/intra observer error and the cumulative exposure to radiation, however, are sources of increasing concern among researchers with regards to the accuracy of manual measurement. Proposed solutions have therefore, focused on using computer-assisted methods such as Machine Learning using X-ray images, and/or trunk images to classify the severity of spinal deformity or to identify the Cobb angle. However, none of the proposed methods have shown the level of accuracy required for use as an alternative to X-rays. Meanwhile, scoliosis has been recognized as a pathology that modifies the gait pattern, subsequently impinging upon intervertebral efforts. The present thesis aims to develop a radiation-free model to identify the severity of idiopathic scoliosis in adolescents based on the intervertebral efforts during gait.   To accomplish this objective, we compared the intervertebral efforts computed using a multibody dynamics model, by way of inverse dynamics, among 15 adolescents with AIS having different curve types and severities, as well as 12 typically developed adolescents. This resulted in the identification of the most relevant intervertebral efforts influenced by spinal deformity: mediolateral (ML) force; anteroposterior (AP) force; and torque. Additionally, we focused on the classification of the severity of spinal deformity among 30 AIS with thoracolumbar/lumbar curvature, testing different classification models. Lastly, the Cobb angle was identified running regression models. The features to feed training algorithms were chosen based on the most relevant intervertebral efforts to the spinal deformity on the lumbosacral (L5-S1) joint. The highest accuracies for the classification were obtained by the ensemble classifier algorithm, including “K-nearest neighbors”, “support vector machine”, “random forest”, and “multilayer perceptron”, as well as a neural network model with an accuracy of 91.4% and 93.6%, respectively. Likewise, the “decision tree regression” model achieved the best result with a mean absolute error equal to 4.6 degrees of an averaged 10-fold cross-validation. This study shows a relation between spinal deformity and the produced intervertebral efforts during gait. The Cobb angle was identified using a radiation-free method with a promising accuracy, providing a mean absolute error of 4.6°. Compared to measurement variations, ranging between 5° and 10° in the manual Cobb angle measurements by specialists, the proposed model provided reliable accuracy. This algorithm can be used as an assessment tool, alternative to the X-ray radiography, to follow up the progression of scoliosis. As future work, the algorithm should be tested and modified on AIS with other types of spine curvature than lumbar/thoracolumbar.


identifier: Lan, T. (2020). Organic Ion-Gated Transistors  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

title: Organic Ion-Gated Transistors

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les transistors jouent un rôle essentiel dans le développement de l'électronique, qui à son tour affecte notre société, en particulier dans le progrès scientifique, technologique, de l'information et de l'éducation.  Ces dernières années, les transistors à grille ionique (IGTs) utilisant des liquides ioniques comme milieu de déclenchement ont attiré beaucoup d'attention. Les IGTs remplacent les diélectriques conventionnels couramment utilisés, tels que SiO2, afin d'obtenir une densité de porteurs de charge élevée (environ 1015 cm-2) à basse tension (<2 V). Cela est dû à la capacité élevée (environ 1-10 F/cm2) des doubles couches électriques (épaisseur typique de 2-4 nm) formées à l'interface entre le milieu de déclenchement ionique/canal de transistor. Les IGTs sont un exemple de la technologie iontronique, un domaine interdisciplinaire émergent qui réunit l'électronique et l'ionique. L'iontronique couvre différents aspects fondamentaux, y compris l'électrochimie, le génie électrique, la science des matériaux, etc. Dans cette thèse, l'accent des transistors à grille ionique est mis sur les propriétés électroniques des matériaux constituant le canal du transistor car celles-ci sont controlées par le mouvement ionique. On parle, en effet, de déclenchement ionique.  Les liquides ioniques sont un type d'électrolytes liquides «sans solvant». Ils possèdent des propriétés physicochimiques uniques. En effet, ils ont une pression de vapeur négligeable. De plus, ils ont une conductivité ionique relativement élevée (0.1-20 mS cm-1) et une large gamme de viscosité (10-1000 mPa×s). De plus, les liquides ioniques présentent de larges fenêtres électrochimiques (jusqu'à 5 V) et une stabilité thermique élevée (jusqu'à 300 oC).  ABSTRACT: Transistors play a key role in the development of electronics, which in turn affects our society, particularly in the scientific, technological, information and education domains.  In recent years, ion-gated transistors (IGTs) making use of ionic liquids as gating media have gained a lot of attention. They replace the commonly used conventional dielectrics, such as SiO2, to achieve low-operating voltages (< 2 V) and high charge carrier density (ca. 1015 cm-2). This is due to the high capacitance (ca 1-10 F/cm2) of the electrical double layer formed at the ion gating medium-transistor channel interface.  IGTs are an example of iontronic technology, an emerging interdisciplinary field that brings electronics and ionics together. Iontronics covers various fundamental aspects of electrochemistry, electrical engineering, materials science. The emphasis of ion-gated transistors is on the electronic properties of transistor channel materials as controlled by ionic motion, namely ion-gating.  Ionic liquids are a type of “solvent-free” liquid electrolyte. They possess unique physicochemical properties. In particular, they have negligible vapor pressure, relatively high ionic conductivity (0.1-20 mS cm-1) and a wide range of viscosity (10-1000 mPa×s). They also exhibit wide electrochemical windows (up to 5 V) and high thermal stability (up to 300 oC).   Organic semiconducting materials have been studied and applied in organic electronics for the past four or five decades, in organic solar cells, organic light-emitting diodes, organic transistors and so on. In this PhD thesis, we focus on the organic small molecule material phenyl−C61−butyric acid methyl ester (PCBM) and polymer materials poly[N-9'-heptadecanyl-2,7 -carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)] (PCDTBT) and poly (3-hexylthiophene) (P3HT).


identifier: Hamida, Z. (2020). Stochastic Modelling of Infrastructures Deterioration and Interventions based on Network-Scale Visual Inspections  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les infrastructures de transport sont précieuses parce qu'elles touchent une multitude d'aspects allont de la société et l'économie, à l'environnement. La gestion et l'entretien des infrastructures de transport à l'échelle du réseau sont directement associés à la capacité de surveiller et de prévoir la détérioration de ces infrastructures. L'inspection visuelle est une approche courante pour la surveillance des infrastructures à l'échelle du réseau, car elle fournit une évaluation directe et à grande échelle de l'état de détérioration des structures. L'une des principales limites des inspections visuelles est que l'évaluation est subjective, et donc l'incertitude des observations varie selon les inspecteurs. De plus, les incertitudes des observations peuvent dépendre de l'état de l'élément structurel. Ces facteurs présentent des défis dans l'interprétation des données d'inspection, ce qui limite la capacité à modéliser la détérioration ainsi que de quantifier l'amélioration de l'état de santé au éléments suite aux activités de maintenance. L'objectif de ce travail est d'améliorer l'utilité globale des données d'inspection visuelle à l'échelle du réseau, pour mieux comprendre le comportement de dégradation des infrastructures au fil du temps.  ABSTRACT: Transportation infrastructures are valuable assets that affect a multitude of aspects, such as the society, the economy and the environment. Managing and maintaining transportation infrastructure on a network-scale is directly associated with the capacity to monitor and forecast the deterioration of these infrastructures. Visual inspection is a common approach for the network-scale monitoring of infrastructures, as it provides direct and broad evaluation for the deterioration state of the structure. One of the main limitations of visual inspections is the evaluations being subjective, and thus the uncertainty of observations vary among different inspectors. In addition, observation uncertainties are dependent on the structural element condition. Those factors present challenges in interpreting the inspection data, which limits the capacity of modelling the deterioration as well as quantifying the improvement in the health state following maintenance activities. The purpose of this work is to improve the overall utility of network-scale visual inspection data, to better understand the deterioration behaviour of infrastructures over time.


identifier: Amiri, S. (2020). Transitional Flow Prediction in High Reynolds Flows Over Hydrofoils  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans une turbine hydraulique, les aubes fixes et les aubes directrices fonctionnent dans un large éventail de conditions et peuvent rencontrer différents régimes d'écoulement, y compris une transition du régime laminaire au régime turbulente. Dans un écoulement en transition, les propriétés de l'écoulement changent par des mécanismes complexes qui provoquent un passage du comportement laminaire à des caractéristiques turbulentes d'écoulement chaotiques. De plus, ces composants peuvent être soumises à des fréquences d'excitation en raison des forces fluctuantes transversales à l'écoulement qui résultent du détachement de vortex asymétriques. Pour éviter toute situation destructrice due à ces fréquences d'excitation, il est important de prévoir l'effet du comportement de l'écoulement en transition sur les composants mécaniques de la turbine pour différentes conditions de fonctionnement. C'est un défi que les outils modernes tels que la dynamique des fluides computationnelle (CFD) peuvent relever, en donnant un aperçu complémentaire aux approches expérimentales du comportement de l'écoulement dans diverses conditions. Cette thèse propose et évalue la mise en oeuvre d'un modèle de turbulence de transition en couplant un modèle de transition avancé,  , avec le modèle de turbulence dynamiquement adapté SST-SAS pour capturer les caractéristiques des écoulements en transition et la fréquence de détachement sur le profil NACA0009. Le modèle de turbulence transitionnelle a été implémenté dans un code CFD open source basé sur des volumes finis, OpenFOAM. Le modèle mis en œuvre a d'abord été vérifié et validé pour différents écoulements en transition, y compris la transition naturelle et de dérivation sur une plaque plane. Les résultats numériques ont été comparés aux données expérimentales pour le calcul du coefficient de frottement et de l'intensité de la turbulence. Un très bon accord a été observé entre l'étude en cours et les données disponibles.  Le principal résultat de la présente étude était d'évaluer l'emplacement du début de la transition et la fréquence de détachement des tourbillons sur des profils bidimensionnels dans des écoulements visqueux à des nombres de Reynolds élevés. Les propriétés de l'écoulement telles que la fréquence de détachement et l'emplacement de début de la transition ont été évaluées pendant le processus de validation. En général, un très bon accord a été observé par rapport aux données expérimentales disponibles. Les résultats ont déterminé que la présente méthodologie a pu améliorer la précision des simulations numériques par rapport à un modèle de transition similaire couplé au modèle de turbulence, SST.  Une large gamme de vitesses d'écoulement avec deux configurations de bord de fuite différentes a été évaluée pour étudier la réponse du modèle de turbulence de transition mis en œuvre sur la prédiction de la fréquence de détachement et l'emplacement du début de la transition en fonction de différentes conditions de fonctionnement et géométries. Les résultats montrent que le modèle mis en œuvre prédit une relation linéaire entre la vitesse d'entrée et la fréquence de détachement tandis que les données expérimentales montrent une relation quasi linéaire. Le modèle de turbulence transitionnelle mis en œuvre a également montré qu'il pouvait distinguer les couches laminaires, de transition laminaire-turbulente et les couches limites turbulentes. Un bon accord a été observé pour la prédiction de l'emplacement au début de la transition par rapport à l'expérience.  ABSTRACT: In hydraulic turbines, stay vanes and guide vanes operate in a wide range of conditions and could encounter different flow regimes including laminar to turbulent transition. In a transitional flow, the flow properties change through a complex procedure and whereby the laminar behavior of the flow transforms into chaotic turbulent characteristics. In addition, these turbine components can experience excitation frequencies due to the fluctuating forces transverse to the flow that result from asymmetric vortex shedding. To prevent any destructive situation due to these excitation frequencies, it is important to predict the behavior of the transitional flow and its impact on the mechanical components of a hydraulic turbine in various operating conditions. This is a challenge that modern tools such as Computational Fluid Dynamics (CFD) can address by giving a complementary insight into the flow behavior under various conditions.  This thesis has proposed and evaluated the implementation of a transitional turbulence model by coupling an advanced transitional model,  , with the dynamically adapted turbulence model SST-SAS to capture the transitional flow features and shedding frequency over a NACA0009 hydrofoil. The transitional turbulence model was implemented within an opensource finite volume-based CFD code, OpenFOAM. The implemented model was first verified and validated with different transitional flows including natural and bypass transition over flat plate. Numerical results were compared to experimental data on calculation of friction coefficient and turbulence intensity. A very good agreement was observed between the current investigation and available data.  The main outcome of the current investigation was to investigate the transition onset location and shedding frequency of two-dimensional hydrofoils in URANS viscous flows at high Reynolds numbers. Flow properties such as shedding frequency and transition onset location were evaluated during the validation process. In general, very good agreement was observed compared to available experimental data. Results determined that the present methodology has been able to improve the accuracy of the numerical simulations compared to a similar transitional model coupled with the URANS turbulence model, SST.  A wide range of flow velocities for two different trailing edge configurations have been evaluated to investigate the response of the implemented transitional turbulence model on shedding frequency prediction and transition onset location with respect to different operating conditions and geometries. Results show that the implemented model predicts a linear relationship between the inlet velocity and shedding frequency while, experimental data shows a quasi-linear relation. The implemented transitional turbulence model has also shown that it can distinguish laminar, laminar-turbulent transition and turbulent boundary layers. A good agreement has been observed for the prediction of the transition onset location compared to the experiments.


identifier: Nallandhigal, S. N. (2020). Unified Circuit-Antenna Integration for Next Generation Wireless Systems  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les technologies sans fil ont évolué rapidement au fil du temps, tant en termes de fréquences d'opération que de gammes d'applications. De nos jours, une myriade de systèmes sans fil bon marché opérant a moins de 6 GHz sont disponibles, et ils sont devenus une partie intégrante de la vie des gens. Due à un spectre à basse fréquence saturé et une demande grandissante du marché pour des débits de données plus élevés, les futures technologies sans fil se développent dans le spectre fréquence des ondes millimétriques (mmW) et des terahertz (THz). Les caractéristiques inhérentes de l'utilisation de plus hautes fréquences et d'une bande passante plus élevée sontdes antennes de plus petites dimenaions et de meilleures résolutions, ce qui les rendent attrayantes pour les applications pour la 5G, l'imagerie, les radars automobiles, l'identification, la spectroscopie, etc. qui présentent des avantages incontournables. De nombreuses technologies ont été étudiées et déployées à l'appui des développements des émetteurs-récepteurs intégrés pour les applications dans les MHz jusqu'aux THz. Parmi eux, bien que les implémentations basées sur l'utilisation des lignes microrubans promettent des caractéristiques intéressantes en termes de coût, de poids, et d'encombrement, leurs performances électriques sont limitées lorsque les antennes sont intégrées aux émetteurs-récepteurs par des approches d'antennes intégrées conventionnelles ou actives. En effet, les pertes dans les lignes de transmission et les pertes par radiation des éléments des circuits inhérents sont des inconvénients notables dans la réalisation de ces solutions à des fréquences mmW et au-delà.En conséquence, il a été nécessaire de développer des techniques d'intégration avancées en mettant l'accent sur l'élimination ou la fusion des composants qui composent les circuits Ceci a été largement étudié au cours des dernières années. En outre, pour faire face à l'atténuation en mode grand signal et atteindre des plages de fonctionnement souhaitables, la transmission à haute puissance est souvent une nécessité qui peut être réalisée par des amplificateurs de puissance et / ou des réseaux d'antennes. Motivés par toutes ces exigences, nous avons proposé et développé une architecture nouvelle appelée antenne de circuit unifiée et intégrée (unified and integrated circuit antenna-UNICA). Ici, les antennes sont conçues pour effectuer les multiples tâches des composants de circuits en plus du patron de rayonnement et sont directement intégrées aux dispositifs actifs pour réaliser des fonctions simultanées de circuiterie et de rayonnement à travers un espace unifié de conception et d'intégration.  ABSTRACT: Wireless technologies have been evolving rapidly over time, both in terms of operating frequencies and range of applications. As of today, a myriad of inexpensive wireless systems operating below 6 GHz are available, which have become an integral part of the present-days human life. Triggered by such overcrowded low-frequency spectrums and persistent market demand for higher data rates, the future wireless technologies are expanding into the millimeter-wave (mmW) and terahertz (THz) range spectrums. The inherent features of higher bandwidth, smaller antennas, and improved resolutions among others make them attractive for the intended applications of 5G, imaging, automotive radar, identification, spectroscopy, and so on, which enable great conveniences. Numerous hardware technologies have been studied and deployed in support of integrated frontend developments for MHz through THz applications. Among them, although the microstrip implementations promise the features of low-cost, lightweight, and compactness, the electrical performances of corresponding hardware solutions are limited when the frontend circuits and antennas are integrated through either conventional or active integrated antenna approaches. In particular, the significant transmission line losses and radiation disturbances from the inherent circuitry elements are notable drawbacks in realizing these solutions at mmW frequencies and beyond.   As a result, it is a high time to develop advanced integration techniques with focus on eliminating or merging the circuitry components, which are being widely researched in the recent years. Furthermore, to cope up with the large signal attenuation and achieve desirable operating ranges, high power transmission is often a necessity that can be achieved through frontend power amplifiers and/or array antennas. Motivated by all these requirements, we have proposed and developed a novel architecture called the unified and integrated circuit antenna (UNICA). Here, the antennas are designed to perform the multiple tasks of circuitry components in addition to their radiation and are directly integrated with the active devices to realize simultaneous circuit and radiation functions through a unified space of design and integration. And, the objective of this research is to explore the potential ways of integrating them to realize low-cost, efficient, and compact joint circuiting-radiating solutions.


identifier: Ojand, K. (2020). A Double Deep Q-network Approach for Online Cyber-attack Detection in Power System Dynamic State Estimation  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Afin de rendre les réseaux électriques plus intelligents, les compagnies d'électricité ont mis en œuvre davantage de compteurs intelligents, d'infrastructures de communication et d'autres dispositifs dans les réseaux électriques. Les synchrophaseurs appelés également Phase Mea-surement Units (PMU) font partie de ces nouvelles technologies exploitées progressivement dans les smart grids. L'élargissement de l'infrastructure des technologies de l'information et de la communication (TIC) présente de nombreux avantages pour les réseaux de transmission et de distribution. Cependant, le déploiement de ces nouvelles solutions apporte toutefois son lot de nouveaux défis. En e˙et, ces technologies augmente les risques de cyber-attaques et d'activités hostiles. Dans ce contexte, les PMU sont également exposés aux cyberattaques puisqu'ils nécessitent une infrastructure de communication pour transmettre les mesures aux centres de contrôle. Dans la littérature, il existe de nombreuses méthodes de détection des cyberattaques, y compris les techniques basées sur l'apprentissage automatique utilisant les données PMU. Néanmoins, la plupart de ces approches de détection sont développées à l'aide d'approches d'apprentissage supervisées et non supervisées, qui nécessitent une connaissance et une compréhension préalables de tous les types et modèles de cyberattaques. Par ailleurs, il existe un manque d'information sur les types de menaces visées par ces attaques et les compagnies d'électricité n'ont pas une connaissance de l'ensemble des attaques pour les utiliser dans des données de formation et de validation. En conséquence, il semble indispensable de développer une méthode de détection des cyber-attaques qui ne nécessite pas des connaissances préalables sur les types d'attaques. À cet égard, il existe une méthode de détection des cyberattaques couvrant cette fonctionnalité, qui n'a pas besoin d'avoir une connaissance préalable des types de cyberattaques. Dans cet algorithme de détection, une combinaison de filtre de Kalman et de SARSA est utilisée pour développer la méthode de détection proposée. Cependant, cette méthode de détection présente certaines lacunes comme la discrétisation des signaux d'entrée. En raison de la limitation de Q-learning et de la lourdeur des calculs, il est très difficile et coûteux d'augmenter les dimensions de la table Q en diminuant les étapes de discrétisation et/ou en augmentant la longueur des données de série temporelle d'entrée (taille de la fenêtre glissante). Cette étude vise donc à améliorer la méthode de détection précitée. Ainsi, on propose une approche universelle de détection des cyberattaques en ligne pour une application dans l'estimation d'état en temps réel des réseaux électriques. L'approche de détection proposée est basée sur l'algorithme Deep Q-Network (DQN), qui résout le problème de la taille de a fenêtre glissante et de la discrétisation des signaux d'entrée. Dans l'algorithme proposé, en premier temps, les données de Sortie PMU sont envoyées au filtre de Kalman étendu (EKF) pour estimer les états du système. Ensuite, Ces états estimés sont utilisés pour calculer l'estimation de la sortie PMU. Cette dernière est comparée aux sorties PMU en temps réel pour créer la fenêtre d'observation glissante en tant qu'entrée pour l'agent DQN. Contrairement à l'approche SARSA, l'approche proposée utilise des valeurs d'observation continues sans aucune limitation en termes de taille de la fenêtre d'observation glissante. Par conséquent, le temps de traitement est plus faible, ce qui est particulièrement important pour les applications du réseau électrique multi-machines à grande échelle. Les simulations sont effectuées pour un réseau mono-machine connecté à un jeu de barres infini. Dans cette étude, il a été démontré que l'approche proposée permet de détecter efficacement plusieurs cyberattaques et anomalies.  ABSTRACT: Over the time, utilities are implementing more smart meters, communication infrastructure and other intelligent devices in conventional power grids to make them more smart and in-telligent. Phasor Measurement Unit(PMU) is one of these equipments that are practically operational and progressively are being exploited in the smart grids. Enlargement of Infor-mation and Communication Technology (ICT) infrastructure and measurement equipment provide a lot of benefits for utilities and their stakeholders. However, scaling ICT systems up increases the risks of cyber-attacks and hostile activities. PMUs are exposed to cyber-attacks too. Because, they need to use communication infrastructure to send their data to control centers via ICT structure and therefore always there is a risk of cyber-attack on the PMU data. In the literature, various cyber-attack detection methods including machine learning techniques using PMU data have been developed. Nevertheless, most of these cyber-attack detectors are using supervised and unsupervised learning approaches, which need field ex-pert knowledge about di˙erent types of cyber-attacks and prior comprehension about all possible kinds and patterns of cyber-attacks. This knowledge is required to form training and validation data and their peer labels properly. Unfortunately, howbeit a defect of these techniques is that always there is not enough knowledge about types of cyber-attacks and maybe attackers think of a type of attack that utilities have not used in their training and validation data sets and it could be a potential danger. Accordingly, it seems to be indispensable to develop a cyber-attack detection method that doesn't need to have prior knowledge about types of attack. In this regard, there is a cyber-attack detection method covering this feature, which doesn't need to have a-priori knowledge about the types of cyber-attacks. In this detection algorithm, a combination of Kalman Filter and SARSA is used to develop the proposed detection method. But, this cyber-attack detection method has some deficiencies. It needs to discretize the input signals, which is somehow complicated. Besides, due to the limitation of the Q-learning and computational burden, it is very hard and expensive to increase dimensions of Q-table by decreasing discretization steps and/or increasing length of input time series data (sliding window size). This study aims to improve the aforementioned detection method. Thus, this research work proposes a universal on-line cyber-attack detection approach for application in real-time state estimation of power systems. The proposed detection approach is based on the Deep Q-Network (DQN) algorithm, which somehow solves the problem of sliding window size and discretization of the input signals. Also this study expands the existing algorithm and take advantage of dynamic state estimation. In the proposed algorithm Firstly, PMU output data are sent to Extended Kalman Filter (EKF) to estimate system states. Then, estimated system states are are used to calculate estimation of PMU output and then estimation of PMU output is compared with the real-time PMU outputs to build the sliding observation window as the input for DQN agent. As opposed to the SARSA approach, the proposed algorithm uses continuous observation values without any limitations in terms of sliding observation window size. Consequently , it is characterized by a lower computational burden, which is of particular importance for large-scale multi-machine power systems applications. Simulations are performed for a single-machine infinite-bus power system. In this study, it is shown that the proposed approach can eÿciently detect di˙erent types of cyber-attacks/anomalies.


identifier: Haghighi, A. (2020). Understanding and preventing bypassing of safeguards on machinery through an assessment tool based on probability levels  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La Loi sur la santé et la sécurité du travail est une loi québécoise visant à éliminer à la source, les dangers pour la santé et la sécurité des travailleurs. En assurant la santé et la sécurité au travail (SST), on protégera ainsi les travailleurs contre les risques et interventions dans une zone dangereuse de machine, par exemple. Cela contribuera à maintenir et promouvoir le plus haut niveau de bien-être physique, mental et social des travailleurs dans tous les corps de métiers et professions. Des millions de travailleurs intervenant sur des machines peuvent être exposés à divers phénomènes dangereux, tels que : ceux d'origine mécanique, électrique, thermique, ergonomique ou environnementale, ainsi que le bruit, les vibrations, radiations, matériaux ou contaminants pendant leurs interventions sur les machines. Ces risques peuvent entraîner des blessures graves ou un décès s'ils ne sont pas gérés. Par conséquent, dans le processus de gestion des risques qui menacent la SST, des mesures doivent être adoptées afin de réduire ces risques. Les protecteurs et les dispositifs de protection constituent les mesures de réduction des risques les plus efficaces après la prévention intrinsèque, selon la hiérarchie des mesures de réduction des risques liés aux machines. Différentes normes et règlements exigent des entreprises qu'elles utilisent des moyens de protection sur les machines : protecteurs et dispositifs de protection. Malheureusement, certains travailleurs violent ces règlements et enlèvent les gardes ou désactivent les dispositifs de protection pour différentes raisons. Conséquemment, ils peuvent finir par avoir accès à une zone dangereuse lorsqu'une machine fonctionne. Un tel comportement dangereux est appelé contournement. Le contournement des moyens de protection est une problématique de SST courante dans la plupart des entreprises et est considéré comme une problématique internationale. C'est la raison pour laquelle l'Association internationale de la sécurité sociale a lancé un projet international avec la participation de l'Allemagne, l'Italie, la Suisse et l'Autriche en tant que groupe de projet afin d'atténuer le contournement des moyens de protection. Cette recherche propose de prévenir le contournement des moyens de protection et d'en promouvoir l'utilisation en concevant, en appliquant et en améliorant un outil spécifique s'inspirant de la norme ISO 14119. Cette thèse examine trois questions de recherche : 1) Comment les préventeurs des milieux de travail peuvent-ils identifier les incitatifs au contournement des moyens de protection sur leur machine, 2) Comment ces préventeurs peuvent-ils trouver des mesures préventives pour vaincre le contournement sur leur machine, et 3) Comment peut-on évaluer ces incitatifs afin d'éviter de contourner des moyens de protection de la machine pendant sa phase d'utilisation ? Cette thèse présente une liste qui couvre un vaste champ de 72 incitatifs possibles au contournement, en se basant sur la littérature. Ils sont classés selon les cinq principales catégories suivantes : ergonomie, productivité, machine ou moyens de protection, comportement et climat d'entreprise. De plus, cette thèse fournit une panoplie de solutions, basées sur la littérature, comprenant 82 mesures préventives afin d'éviter le contournement des moyens de protection; elles sont classées en facteurs d'influence techniques, organisationnels et individuels. L'outil développé, sur la base des catégories d'incitatifs mentionnés ci-dessus, permet d'évaluer le contournement des moyens de protection et prévenir ce contournement lors de la phase d'exploitation des machines. Par conséquent, cette thèse sert non seulement à concevoir un outil mais aussi à améliorer la compréhension du problème du contournement. L'outil proposé est capable d'estimer qualitativement la probabilité de contournement selon quatre niveaux : faible, modéré, significatif et élevé. Ces niveaux aident les décideurs des entreprises à établir des priorités dans les mesures préventives visant à éliminer ou à réduire les incitatifs de contournement dans leur milieu de travail. Cet outil est testé d'abord avec cinq rapports d'accidents liés au contournement, puis en l'appliquant à quatre entreprises manufacturières et à des machines réelles comme études de cas dans la province de Québec. Au total, cinq préventeurs en SST dans ces entreprises, en tant qu'utilisateurs de l'outil proposé, ont appliqué l'outil à 18 machines et 37 activités. Un questionnaire a permis de recueillir les commentaires des préventeurs en SST. Ces derniers ont trouvé l'outil utile avec un niveau de satisfaction élevé (82%). Leurs commentaires ont permis d'améliorer l'outil. Ensuite, un processus hiérarchique de l'amélioration de la sécurité est présenté pour les machines et les moyens de protection. Enfin, les résultats de l'outil sont utilisés pour définir des mesures préventives afin d'éliminer ou de réduire les incitatifs, ainsi que pour illustrer comment les préventeurs en SST pourraient utiliser les résultats de l'outil pour définir des mesures préventives dans leur entreprises. Cette meilleure compréhension de l'enjeu du contournement a permis de concevoir l'outil dédié à la phase d'exploitation des machines pour évaluer les incitatifs sur les machines existantes. Les préventeurs en SST peuvent utiliser périodiquement cet outil dans le milieu de travail pour effectuer des audits et des évaluations, afin de comprendre la raison pour laquelle des accidents liés au contournement surviennent, ainsi que pour prévenir le contournement. Les incitatifs identifiés par les utilisateurs finaux peuvent alimenter les concepteurs de machines en connaissances additionnelles, conformément à la boucle de rétroaction du processus de réduction des risques recommandé par la norme ISO 12100:2010 (boucle représentant le retour d'expérience de l'utilisateur au concepteur de la machine). Cet outil fournit une approche préventive pour les entreprises: 1) éviter le contournement des moyens de protection en analysant les motifs au contournement plutôt que de blâmer les opérateurs, 2) réduire le nombre d'accidents dus au contournement et, par conséquent, 3) augmenter la productivité.  ABSTRACT: The Act Respecting Occupational Health and Safety is a law in Quebec aiming at eliminating, at their source, dangers to the health, safety and physical well-being of workers. Therefore, ensuring occupational health and safety (OHS) will contribute to protecting workers from risks and entering a hazard zone of machinery; subsequently, it will maintain and promote the highest degree of physical, mental, and social well-being of workers in all professions. Millions of employees working on machines may be exposed to various hazards, including mechanical, electrical, thermal, noise, vibration, radiation, material or contamination, ergonomic, and environmental hazards, during their interventions on machinery. Those hazards can cause serious injuries or fatalities if they are not well-managed. Therefore, in the process of occupational risk management, measures are essential to control the OHS-related risks. Guards and protective devices are the most efficient risk reduction measures, after inherently safe design, in the hierarchy of risk reduction measures associated with machines. Different standards and regulations require enterprises to use guards and protective devices (safeguards) on machinery. Unfortunately, some workers violate those regulations and remove guards or disable protective devices for different reasons. Therefore, they may end up having access to a hazard zone when a machine is operating. Such unsafe behavior is called bypassing. Bypassing of safeguards has been identified as a common OHS problem in most enterprises, and it is considered to be an international problem. As such, the International Social Security Association began an international project with the participation of Germany, Italy, Switzerland, and Austria as the project group to mitigate bypassing. This research proposes the prevention of bypassing safeguards and promoting the use of safeguards by designing, applying and improving upon a dedicated tool inspired by the ISO 14119 standard. This dissertation investigates three research questions: i) How can OHS practitioners identify the existing incentives to bypass on their machine? ii) How can OHS practitioners find preventive measures to overcome bypassing on their machine? iii) How can one assess those incentives in order to avoid bypassing safeguards of the machine during the use phase? This dissertation presents a list that covers a wide scope of 72 possible incentives to bypass based on the literature. They are categorized into five main categories: ergonomics, productivity, machine or safeguarding, behavior, and corporate climate. In addition, this dissertation provides a collection of literature-based solutions that include 82 preventive measures classified into technical, organizational and individual influential factors to prevent bypassing safeguards. The tool developed based on the above-mentioned groups of incentives helps assess and prevent the bypassing of safeguards at the use phase of machines. Therefore, this thesis serves not only to design a tool but also to improve the understanding of the bypassing problem. The proposed tool is able to qualitatively estimate the probability of bypassing according to four levels: low, moderate, significant and high. These help decision makers in enterprises prioritize preventive measures to eliminate or reduce incentives to bypass in their workplace. This tool is tested first with five bypassing-related accident reports and then by applying it to four actual manufacturing companies and to real machinery as case studies in the province of Quebec. In total, five OHS practitioners in those companies, as the users of the proposed tool, have applied the tool to 18 machines and 37 activities. A questionnaire enabled feedback to be gathered from the OHS practitioners. Their feedback revealed that the tool was useful with a high level (82%) of satisfaction. The OHS practitioners' feedback also helped improved the tool. Afterwards, a safety improvement prioritization process is presented for the machines and their safeguards. Finally, the results of the tool are applied to define preventive measures to eliminate or alleviate the incentives, as well as to illustrate how the OHS practitioners could utilize the results of the tool to define preventive measures to their companies. The improved understanding of the bypassing issue enabled the design of the tool dedicated to the machine use phase to assess incentives on existing machines. OHS practitioners can periodically use the tool in the workplace to do audits and assessment in order to understand why bypassing-related accidents happen, as well as to prevent bypassing. Those identified incentives, as end users input, can provide additional guidance to machine designers according to the feedback loop in the risk reduction process recommended by ISO 12100:2010 (loop representing the experience feedback from the machine user to the designer). This tool provides a preventive approach for the enterprises to: 1) tackle the bypassing of safeguards through an analysis of the incentives to bypass rather than blaming operators, 2) reduce accidents caused by bypassing, and subsequently, 3) increase productivity.


identifier: Chéruel, A. (2020). Investigation expérimentale via l'essai de fendage, de l'effet de la RAS sur l'énergie de fissuration du béton d'un ouvrage hydraulique  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plus de la moitié des aménagements hydrauliques du Québec sont affectés par la Réaction Alcalis-Silice (RAS). Cette réaction se développe sur plusieurs décennies et génère une expansion volumétrique importante accompagnée d'une dégradation du béton, altérant particulièrement les fonctionnalités en service. L'évaluation et la prédiction du comportement de ces ouvrages est complexe, et encore plus lorsque la RAS se développe. Les modèles numériques sophistiqués, basés sur des lois de comportement du béton, sont la meilleure alternative dans ce contexte. Ces modèles nécessitent cependant des intrants matériaux considérant l'effet de la RAS. En ce sens, la caractérisation de l'énergie de fissuration, intrant essentiel de ces modèles prédictifs, a motivé un projet de recherche et de collaboration université/industrie entre Polytechnique Montréal et Hydro-Québec. Les travaux préalables à cette maitrise ont permis de reconstituer deux mélanges réactifs (granulats maximums de 38 mm et 76 mm) représentatifs d'un aménagement hydraulique existant d'Hydro-Québec. La caractérisation par essai de fendage de l'énergie de fissuration a été réalisée sur 12 blocs de béton pour un état avant le développement de la RAS, considéré comme état de référence. 42 autres blocs ont été stockés en chambre climatique à l'IREQ (Institut de Recherche en Électricité du Québec) afin d'accélérer le développement de la RAS.  ABSTRACT: More than half of the hydropower-generating facilities in Quebec are affected by the Alkali-Silica Reaction (ASR). This reaction develops over several decades and generates volumetric swelling in the mass concrete, causing extensive cracking and affecting service life. The assessment and behaviour prediction of these structures is complicated, especially when ASR occurs. Sophisticated numerical models, based on concrete constitutive laws, are the most suitable alternative in this context. However, these models require material inputs considering the effect of ASR. The assessment of the size-independent fracture energy (which is an essential input to these predictive models) of an existing hydraulic facility motivated a collaborative university-industry research project between Polytechnique Montréal and Hydro-Québec. Previous works allowed the reconstitution of two reactive concrete mixtures (38 mm and 76 mm of maximum aggregate sizes). Testing of 12 concrete blocks by the mean of the Wedge-Splitting Test (WST) allowed the characterization of fracture energy for a reference configuration without ASR. 42 other blocks were stored in a climatic room at IREQ (Institut de Recherche en Électricité du Québec) to accelerate ASR development.


identifier: Nujaim, M. (2020). Geomechanical Behaviour of Waste Rock Barricades and Cemented Paste Backfills: Experiments and Modelling  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les métaux précieux (tels que l'or et l'argent), et les métaux de base (tels que le cuivre et d'autres) sont extraits du sous-sol par excavation, en créant des vides de différentes tailles appelés (chantiers d'abattage) qui sont reliés entre eux par des galeries (de circulation et de soutirage). Dans le cas de l'exploitation par chambres-remblayées, ces vides ou chambres sont généralement remplis avec du remblai en pâte cimenté (RPC) qui est un mélange fait des rejets de concentrateur (appelés résidus), d'un agent liant (ex. ciment) et de l'eau de malaxage. Vu que le RPC est déposé à l'état liquide (mélange solide-liquide) dans les chantiers d'abattage, il est nécessaire d'utiliser un ouvrage de retenue afin de le contenir pendant le remblayage. Cet ouvrage de retenue est appelé barricade et peut être construit en bois, en béton, en briques, en béton projeté ou à partir des roches stériles disponibles sous terre et qui sont issues du développement des galeries. Les barricades construites à partir des roches stériles sont les plus courantes au Québec et au Canada car elles sont économiques, disponibles (sous terre) et favorisent le drainage de l'eau lors du remblayage; ce qui favorise la consolidation gravitaire du RPC, et donc, la réduction de la pression interstitielle. À ce jour, peu d'informations existes sur les caractéristiques réelles in situ de ces barricades (telles que leur granulométrie, leur résistance à la rupture, le mécanisme probable de leur rupture et les dimensions standards utilisées) afin d'appuyer leur conception de manière à assurer la sécurité des travailleurs et des équipements miniers; ce qui contribuerait à la diminution du cycle de minage, et par conséquent, à l'augmentation de la productivité minière. Les travaux de cette thèse se sont appuyés sur les modélisations physiques et numériques afin de mieux comprendre le comportement géomécanique complexe des barricades de roches stériles. Un modèle physique à l'échelle réduite d'un chantier d'abattage a été développé et construit à partir de plaques en plexiglass translucides, afin de simuler le remblayage dans les mines souterraines. Une méthodologie spécifique a été développée pour l'exécution des essais : instrumentation du modèle réduit à l'aide de capteurs de pression (totale et interstitielle), calibrage des capteurs, remplissage du modèle réduit avec du RPC, suivi en continu des essais avec des caméras haute définition. Les essais réalisés ont permis de mettre en évidence le principal mécanisme probable de rupture des barricades de roches stériles, ainsi que l'estimation de la pression maximale au moment de leur rupture. L'effet de la distribution de la taille des particules de roches stériles sur la stabilité et l'intégrité des barricades de roches stériles à la suite de la poussée exercée par le RPC a également été analysé. Une partie des essais réalisés sur le modèle réduit a été modélisée à l'aide du code de calculs numériques Geostudio 2018 (GeoSlope Intl.) par calibrage avec les résultats expérimentaux. Les résultats des simulations réalisées reproduisaient correctement le comportement général observé lors des essais sur le modèle réduit, avec une différence significative au niveau des valeurs des pressions. Des solutions analytiques simplifiées basées sur l'équilibre limite ont également été proposées sur la base des observations expérimentales pour l'analyse de stabilité (par rapport au glissement et au frottement) des barricades de roches stériles. Des recommandations ont été proposées afin de pousser cette étude plus loin en incluant l'effet de différents facteurs (ex. la position de la barricade dans la galerie de soutirage, la viscosité et le seuil d'écoulement du remblai ou son pourcentage de solides, les paramètres de cisaillement des barricades de roches stériles, l'effet d'arche, etc.).  ABSTRACT: Precious metals (such as gold and silver), and base metals (such as copper and others) are mined from the underground by excavation, creating voids of various sizes called (stope) which are interconnected by galleries or drifts (for circulation and draw point). In the case of cut-and-fill mining, these voids are usually filled with cemented paste backfill (CPB) which is a mixture made of concentrator mill tailings, of a binding agent (e.g. cement) and mixing water. Since the CPB is placed in the liquid state (solid-liquid suspension) in the underground stopes, it is necessary to use a retaining structure to contain it during backfilling. This retaining structure is called a barricade and can be constructed from wood, concrete, bricks, shotcrete or from waste rock available underground and which come from the drifts development. Barricades built from waste rock are the most common in Quebec and Canada because they are economical, readily available (underground) and promote water drainage during backfilling, which promotes self-weight consolidation of the CPB, and therefore, reduction of pore water pressure. To date, little information exists on the real in situ characteristics of these barricades (such as their grain size distributions, their failure strength, the probable mechanism of their rupture and the standard dimensions used) in order to support their design in a meaningful way to ensure the safety of workers and mining equipment, which would contribute to the reduction of the mining cycle, and consequently, to the increase of mining productivity. The work of this thesis project was based on physical and numerical modeling to better understand the complex geomechanical behavior of waste rock barricades. A reduced-scale physical model of a mine stope was developed and constructed from translucent plexiglass plates to simulate backfilling in underground mines. A specific methodology was developed for the execution of the tests: instrumentation of the reduced-scale model using pressure sensors (total and pore water), calibration of the sensors, filling of the reduced-scale model with CPB, continuous monitoring of the tests using high definition cameras. The tests carried out have made it possible to highlight the main probable mechanism of rupture of the waste rock barricades, as well as the estimation of the maximum pressure at the time of their rupture. The effect of waste rock particle size distribution on the stability and integrity of waste rock barricades due to the CPB pressure was also analyzed. Part of the tests carried out on the reduced-scale model were modeled using the Geostudio 2018 numerical code (GeoSlope Intl.) through calibration with the experimental results. The results of the simulations performed reproduced well the general behavior observed during the tests on the reduced-scale model, but with a significant difference in the pressure values. Simplified analytical solutions based on limit equilibrium have also been proposed based on experimental observations for the stability analysis (with respect to sliding and friction) of waste rock barricades. Some recommendations were proposed in order to take this study further by including the effect of various factors (e.g. the position of the barricade in the drift or draw point, the viscosity and the shear yield stress of the backfill or its solids mass concentration, the shear parameters of the waste rock barricades, the arching effect, etc.).


identifier: Petrosyan, K. (2020). Factors Impacting Schedule in Fast-Track, Design-Bid-Build Projects: The Case of Public Colleges  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les approches permettant d'accélérer le déroulement de projets sont de plus en plus en vogue dans le secteur de la construction, tout comme elles le sont depuis longtemps dans les domaines manufacturier et industriel. Dans le contexte particulier des projets de construction réalisés au sein du réseau québécois des collèges publics, le mode accéléré (fast tracking) présente un grand intérêt puisqu'il peut répondre à la nécessité de livrer dans des délais relativement courts. En effet, la période estivale constituant une fenêtre temporelle critique pour de tels projets, l'application du mode accéléré pourrait profiter à ce milieu. Cependant, le manque de connaissances, d'outils et de pratiques adaptées à ce mode peut augmenter les risques associés à la livraison finale d'un projet. Cette étude s'intéresse aux projets réalisés dans les collègues publics québécois (Cégeps) dans le contexte particulier du mode de réalisation dit traditionnel (DBB - Design Bid Build). Par définition, ce mode implique l'exécution du projet en trois phases successives et séquentielles, de sorte que le chevauchement tel que proposé par le mode accéléré n'y est pas particulièrement adapté. Or, la réalité est tout autre puisqu'une grande partie des projets de type DBB réalisés dans les collègues publics ont recours au mode accéléré, ce qui n'est pas sans créer des difficultés.  ABSTRACT: The schedule compression techniques are becoming increasingly popular in the construction industry, just as they have been for a long time in the manufacturing and industrial sectors. More specifically in the Quebec public college network, where time plays a critical role, the fast-tracking approach can facilitate projects' delivery and shorten project duration. However, a lack of tools and proper guidance for the fast-track technique used in construction can increase risks, negatively impacting overall project delivery. This thesis particularly focuses on projects carried out in Quebec public colleges (Cégeps) using the traditional delivery system (DBB - Design Bid Build). By definition, this mode involves the execution of the project in three successive and sequential phases, therefore, the phase overlap used in fast-tracking should make this mode relatively unsuitable. However, the reality is quite different since the DBB delivery system is predominantly used in public colleges, together with a fast-track technique.


identifier: Chucya Lozano, W. K. (2020). Développement d'un modèle de prédiction de retours de vêtements en fonction des caractéristiques des clients et des produits  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RÉSUMÉ : Dans l'industrie manufacturière, le processus de gestion des retours de produits est crucial. Quelque soit le volume des ventes d'une entreprise, les retours sont toujours un problème pour les commerçants puisqu'un retour coûte non seulement de l'argent, mais aussi du temps. De plus, ces dernières années, la croissance accélérée du commerce électronique a rendu le problème encore plus difficile, en particulier dans l'industrie du vêtement. Notre projet est basé sur une étude de cas au sein d'une entreprise qui se charge de la sous-traitance des programmes d'uniformes. L'entreprise fournit à ses clients une plateforme d'achat en ligne pour acheter des pièces d'uniformes. Dans ce mémoire, on utilise des méthodes d'apprentissage supervisées et non supervisées pour analyser l'historique d'achat et de retours de produits au cours d'une période d'étude spécifique afin de trouver les clients qui sont les plus susceptibles d'effectuer des retours, ainsi que des produits problématiques qui sont souvent retournés. Tout d'abord, il a fallu transformer les données disponibles en séries chronologiques pour pouvoir observer l'évolution des mesures morphologiques des clients dans le temps. Quatre mesures principales ont été analysées, en tenant compte des vêtements avec le pourcentage le plus élevé de commandes et de retours.  Ensuite, nous avons procédé à chercher de possibles comportements similaires entre les clients en utilisant une méthode d'apprentissage non supervisée, la segmentation. La segmentation consiste à regrouper un ensemble d'objets en sous-ensembles d'objets appelés clusters, où chaque cluster est constitué d'une collection d'objets qui sont similaires les uns aux autres, mais qui sont différents des objets des autres clusters. On a utilisé la métrique appelée Dynamic Time Warping car elle est la plus adaptée pour comparer des séries temporelles. De cette façon, nous avons été capables d'obtenir des groupes de clients ayant des comportements similaires. Avec les résultats obtenus, on a procédé à l'élaboration d'un modèle qui nous permet de reconnaître les caractéristiques des clients qui effectuent des retours. De plus, un modèle capable de montrer les spécifications des produits qui sont toujours retournés a été développé. Les algorithmes d'apprentissage basés sur des arbres de décision sont considérés comme l'une des méthodes d'apprentissage supervisé les meilleures et les plus largement utilisées. Les méthodes basées sur les arbres de décision renforcent les modèles prédictifs avec une précision, une stabilité et une facilité d'interprétation élevées. Dans notre cas, on utilise les arbres de classification, qui possèdent un processus en deux étapes, une étape d'apprentissage et une étape de prédiction. Dans l'étape d'apprentissage, le modèle est développé sur une base des données d'entraînement. Tandis que dans l'étape de prédiction, le modèle est utilisé pour prédire si un retour sera effectué ou non. Différents tests ont été effectués sur la base de différentes méthodes et algorithmes, de plus on a utilisé des processus de « boosting » et « winnowing » pour améliorer les performances de nos arbres. Grâce aux résultats, on a été en mesure de trouver les caractéristiques et comportements de clients qui font des retours et on a constaté que même les clients avec des courbes d'évolution morphologique stables peuvent avoir des pourcentages de retours relativement élevés.  ABSTRACT: ABSSTRACT : n the manufacturing industry, the process of managing product returns is crucial. Regardless of a company's sales volume, returns are always a problem for merchants as a return costs not only money, but also time. Moreover, in recent years, the accelerated growth of electronic commerce has made the problem even more difficult, especially in the clothing industry. This project is based on a case study in a company that outsources uniform programs. The company provides its customers with an online shopping platform to purchase their clothes.  In this paper, supervised and unsupervised learning methods are used to analyze the purchase history and product returns during a specific study period in order to find the customers who are most likely to make returns, as well as problematic products that are often returned. First of all, we had to transform the available data into time series in order to observe the evolution of the morphological measures of our clients over time. Four main metrics were analyzed, taking into account the garments with the highest percentage of orders and returns. Next, we proceeded to look for possible similar behaviors between clients using an unsupervised learning method, segmentation. Segmentation involves grouping a set of objects into subsets of objects called clusters, where each cluster is made up of a collection of objects that are similar to each other, but that are different from objects in other clusters. We used the metric called Dynamic Time Warping because it is the most suitable for comparing time series. Thus, we were able to get groups of customers with similar behaviors. With the results obtained, we proceeded to develop a model that allows us to recognize the characteristics of customers who make returns. In addition, a model capable of showing the specifications of products that are still returned has been developed. Decision tree-based learning algorithms are considered to be one of the best and most widely used supervised learning methods. Decision tree-based methods enhance predictive models with high precision, stability, and ease of interpretation. In our case, we use classification trees, which have a two-step process, a learning step and a prediction step. In the training step, the model is developed on the basis of the training data. While in the prediction step, the model is used to predict whether or not a return will be made. Different tests were carried out on the basis of different methods and algorithms. In addition, we used the processes of “boosting” and “winnowing” in order to improve the performance of our trees. Thanks to the results, we were able to find the characteristics and behaviors of clients who return and it was found that even clients with stable morphological evolution curves may have relatively high return percentages.


identifier: Montreuil, L. (2020). Concurrence dans les marchés publics en technologies médicales au Québec : les implications pour l'innovation  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement durable des systèmes publics de santé sur les plans technologique et financier est primordial à une époque où le vieillissement de population et la transition vers les soins chroniques appliquent une pression grandissante sur les institutions de soins. Dans ce contexte, l'innovation apparaît comme une opportunité d'investir sur le long terme dans la qualité des soins, et les marchés publics représentent la porte d'entrée pour les technologies innovantes dans le système de santé québécois.   Ce mémoire porte sur les dynamiques de concurrence dans les marchés publics québécois en technologies médicales, et leurs implications pour l'innovation dans le système de santé. Trois modèles de régression linéaire sont développés à partir des données ouvertes québécoises de manière à évaluer la compétitivité (l'écart entre soumissions gagnante et perdantes), le degré de concurrence et la concentration des concurrents sur les appels d'offres. 423 appels d'offres divisés en 15 marchés sont évalués ; le degré de concurrence y est faible et les offres sont souvent peu compétitives. Les soumissionnaires fréquents soumettent les offres les plus compétitives mais font face à moins de concurrence que le reste des fournisseurs et représentent un facteur de concentration des marchés. La règle du plus bas soumissionnaire conforme est majoritairement utilisée par les donneurs d'ordres, et son alternative du prix ajusté le plus bas change peu l'issue des appels d'offres. Certains marchés technologiques montrent des potentiels d'innovations plus élevés, mais les marchés publics adjugés par le prix limitent l'absorption d'innovations par le système de santé.   En s'appuyant sur les résultats d'un sondage effectué auprès de parties prenantes d'appels d'offres en santé, des changements sont à apporter au niveau du financement des acquisitions technologiques et nécessitent un leadership transformationnel capable de voir à long terme. Un cadre de mise en concurrence prenant en compte la valeur des technologies innovantes et permettant de s'éloigner de l'adjudication basée uniquement sur le prix serait un pas dans la bonne direction pour le développement durable du système de santé québécois. Des infrastructures de partage de données permettraient aux acteurs du système de santé de bénéficier de l'expertise québécoise en évaluation des technologies médicales. Les donneurs d'ordres publics bénéficieraient aussi de telles mesures, par des marchés moins prévisibles, plus compétitifs et leur permettant d'obtenant des solutions répondant mieux à leurs besoins cliniques.  ABSTRACT: The sustainable development of public healthcare systems on the technological and financial levels is essential at a time when the aging of the population and the transition to chronic care are placing increasing pressure on healthcare institutions. In this context, innovation appears as an opportunity to invest in the long-term quality of care, and public contracts represent the gateway for innovative technologies into Quebec's healthcare system. This thesis focuses on the dynamics of competition in Quebec's medical technologies public markets, and their implications for innovation in the healthcare system. Three linear regression models are developed from Quebec open data in order to assess competitiveness (the gap between winning and losing bids), the degree of competition and the concentration of competitors on calls for tenders. 423 calls for tenders divided into 15 markets are evaluated; the degree of competition is low, and the offers are often not very competitive. Frequent bidders submit the most competitive bids but face less competition than the rest of the suppliers and represent a factor increasing market concentration. The rule of the lowest compliant bidder is mainly used by prime contractors, and its alternative, the lowest adjusted price, does not change the outcome of tenders. Some technology markets show higher innovation potentials, but price-based public procurement limits the absorption of innovations by the healthcare system.  Based on the results of a survey of healthcare procurement stakeholders, changes need to be made in the funding of technology acquisitions and require transformational leadership capable of developing a long-term vision. A competitive framework that takes into account the value of innovative technologies and makes it possible to move away from tendering based solely on price would be a step in the right direction for the sustainable development of the Quebec healthcare system. Data sharing infrastructures would allow players in the healthcare system to benefit from Quebec expertise in medical technology assessment. Public contractors would also benefit from such measures, through less predictable and more competitive markets, allowing them to obtain solutions that better meet their clinical needs.


identifier: Zou, S. (2020). Bioinspired Tough Materials with Microstructured Sacrificial Bonds Based on Instability-Assisted 3D Printing  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une ténacité élevée est requise pour les matériaux structuraux dans de nombreux systèmes d'ingénierie critiques pour la sécurité, tels que le pare-brise d'avion et le confinement des soufflantes de moteurs à réaction. La capacité du matériau à dissiper l'énergie et à résister aux défauts est essentielle pour maintenir l'intégrité structurelle et la sécurité du système en présence de petites fissures ou d'une charge d'impact soudaine. En outre, la multifonctionnalité est souvent requise pour les matériaux de structure, tels que les matériaux légers et la transparence optique, ce qui rend le développement de tels matériaux structuraux un grand défi d'ingénierie. La soie d'araignée surpasse la plupart des matériaux synthétiques en termes de ténacité spécifique. Le bris des liens hydrogènes sacrificiels et l'extension des chaînes protéiques cachées contribuent à la grande extensibilité et à la dissipation d'énergie élevée de la soie. L'introduction des liens sacrificiels et des longueurs cachées dans les matériaux d'ingénierie traditionnels est prometteuse pour fabriquer des matériaux structuraux à haute ténacité avec des multifonctionnalités. L'impression 3D assistée par instabilité offre un moyen facile de fabriquer des fibres thermoplastiques microstructurées avec des liens sacrificiels et des longueurs cachées. L'instabilité fluidique du filament de polymère fondu sur une imprimante 3D de fabrication de filaments fondus (FFF) est exploitée pour induire le phénomène de bouclage, créant des liens faiblement soudés et des structures bouclantes le long de la fibre qui sont analogues aux liens sacrificiels et aux longueurs cachées dans la structure moléculaire de la soie d'araignée, respectivement. Le but de cette thèse est de développer des matériaux résistants bioinspirés avec des liens sacrificiels microstructurés et des longueurs cachées basées sur l'impression 3D assistée par instabilité. Le développement antérieur de fibres de poly(acide lactique) (PLA) microstructurées par impression 3D assistée par instabilité a souffert de défaillances prématurées, dans lesquelles le squelette de la fibre se fracture avant la rupture de tous les liens sacrificiels. Les défaillances prématurées empêchent les longueurs cachées d'être complètement libérées, ce qui entraîne une ténacité de la fibre microstructurée parfois aussi basse que 25% de celle de la fibre droite de référence. Afin de comprendre les mécanismes derrière les défaillances prématurées, nous avons effectué une analyse complète des défaillances des fibres de PLA microstructurées par des tests mécaniques, des caractérisations par microscopie électronique à balayage (MEB) et des simulations numériques. Nous avons constaté qu'une contrainte de traction locale élevée induit une initiation de fissure au niveau du squelette de la fibre pendant la déformation couplée flexion-torsion-tension du bouclage de dépliage. La simulation par éléments finis non linéaire montre que l'extension du bouclage de fibre implique une déformation plastique à grande échelle qui contribue à l'essentiel de la dissipation d'énergie. Par la suite, nous avons mis en œuvre le mécanisme de renforcement des liens sacrificiels et des longueurs cachées à l'échelle microscopique dans un composite transparent absorbant l'énergie. Un processus d'impression facile a été développé pour créer un tissu de fibre de polycarbonate (PC) microstructuré bidirectionnel qui a ensuite été intégré dans une matrice élastomère pendant un processus d'infiltration de résine. La faible adhérence entre la fibre PC et la matrice élastomère permet aux liens sacrificiels de se rompre librement à l'intérieur de la matrice. Sous l'impact, les boucles cachées se déplient après le bris du lien et la fissuration de la matrice, résistant à la pénétration de l'impacteur avec une rupture gracieuse. Le composite présente une absorption d'énergie élevée et une hystérésis de 95.6% (énergie dissipée / énergie totale absorbée × 100%), qui sont analogues au comportement de dissipation d'énergie des toiles d'araignées lors de la capture des proies. La combinaison de fibres PC transparentes et d'une matrice élastomère transparente avec des indices de réfraction similaires (nfiber = 1.58 et nmatrix = 1.55) se traduit par une transmittance optique élevée (~ 89%) et une faible diffusion de la lumière (~ 11%). Nous avons également étudié le mécanisme de défaillance et la tolérance aux dommages du composite absorbant l'énergie avec des fibres PC microstructurées. Des échantillons composites entaillés et non entaillés sollicités en cisaillement pur avec des fibres microstructurées unidirectionnelles ont été testés dans des essais de traction uniaxiale pour comprendre les interactions entre la propagation des fissures, le bris du lien et l'extension du bouclage. Nous avons constaté que la déformation et la rupture du matériau composite sont dominées par la rupture multiple des liens sacrificiels à l'échelle micrométrique et la fracture multiple de la matrice élastomère à l'échelle macroscopique. Le composite présente une très grande zone de dissipation d'énergie à la fois à l'avant et derrière le fond de fissure pendant la propagation de la fissure, ce qui entraîne une courbe de résistance croissante. La combinaison des fibres microstructurées et des fibres droites dans le composite élastomère entraîne une augmentation d'environ 17 fois de la rigidité et une augmentation d'environ 7 fois de l'énergie totale jusqu'à la rupture par rapport à l'élastomère pur. La stratégie de conception nouvellement développée utilise des composantes mécaniquement différentes pour obtenir une transparence élevée et une dissipation d'énergie élevée avec un processus de fabrication facile et évolutif. Notre approche ouvre une nouvelle voie pour la conception et la fabrication de composites multifonctionnels avec des capacités de dissipation d'énergie élevées à de grandes déformations pour diverses applications telles que les composants automobiles et aérospatiaux, et la capture des débris spatiaux.  ABSTRACT: High toughness is required for structural materials in many safety-critical engineering systems, such as aircraft windshield and jet engine fan containment. The capability of the material to dissipate energy and resist failure is essential to maintain the structural integrity and system security under the presence of small cracks or a sudden impact load. Also, multifunctionality is often required for structural materials, such as lightweight and optical transparency, making the development of such structural materials a great challenge in engineering. Spider silk outperforms most synthetic materials in terms of specific toughness. The breaking of sacrificial hydrogen bonds and unfolding of hidden protein chains contribute to the silk's large extensibility and high energy dissipation. Introducing the sacrificial bonds and hidden lengths toughening mechanism into traditional engineering materials is promising to make high-toughness structural materials with multifunctionalities. Instability-assisted 3D printing provides a facile way to fabricate microstructured thermoplastic fibers with sacrificial bonds and hidden lengths. The fluid-mechanical instability of the molten polymer thread on a fused filament fabrication (FFF) 3D printer is harnessed to induce the coiling phenomenon, creating weakly fused bonds and coiling loops along the fiber which are analogous to the sacrificial bonds and hidden lengths in the molecule structure of spider silk, respectively. The purpose of this dissertation is to develop bioinspired tough materials with microstructured sacrificial bonds and hidden lengths based on instability-assisted 3D printing. Previous development of microstructured poly(lactic acid) (PLA) fibers by instability-assisted 3D printing suffered from premature failures, in which the fiber backbone fractures before the breaking of all sacrificial bonds. The premature failures inhibit the hidden lengths from being fully released, resulting in the microstructured fiber's toughness sometimes as low as 25% of that of the benchmark straight fiber. In order to understand the mechanisms behind the premature failures, we conducted a comprehensive failure analysis of the microstructured PLA fibers through mechanical tests, scanning electron microscopy (SEM) characterization, and numerical simulation. We found that high local tensile stress induces crack initiation at the fiber backbone during the bending-torsion-tension coupled deformation of the unfolding loop. The nonlinear finite element simulation shows that the straightening of the fiber loop involves with large-scale plastic deformation which contributes to most of the energy dissipation.  Subsequently, we implemented the sacrificial bonds and hidden lengths toughening mechanism at the microscale in a transparent energy-absorbing composite. A facile printing process was developed to create a bidirectional microstructured polycarbonate (PC) fiber fabric which was then embedded in an elastomeric matrix during a resin infiltration process. The weak adhesion between the PC fiber and the elastomeric matrix allows the sacrificial bonds to break freely inside the matrix. Under impact, the hidden loops unfold after the bond breaking and the matrix cracking, resisting the impactor penetration with a graceful failure. The composite shows high energy absorption and a hysteresis of 95.6% (dissipated energy/total absorbed energy × 100%), which are analogous to the energy dissipating behavior of spider webs during prey capture. The combination of clear PC fibers and transparent elastomeric matrix with similar refractive indexes (nfiber = 1.58 and nmatrix = 1.55) results in the composite's high optical transmittance (~89%) and low haze (~11%).  We further investigated the failure mechanism and damage tolerance of the energy-absorbing composite with microstructured PC fibers. Both notched and unnotched composite specimens in the pure shear geometry with unidirectional microstructured fibers were tested in uniaxial tensile tests to understand the interactions between crack propagation, bond breaking and loop unfolding. We found that the deformation and failure of the composite material are dominated by the multiple breaking of sacrificial bonds at the microscale and the multiple fracture of the elastomeric matrix at the macroscale. The composite shows a very large energy dissipation zone both ahead of and behind the crack tip during crack propagation, resulting in a rising resistance curve. Combining the microstructured fibers and straight fibers in the elastomer composite results in a ~ 17 times increase in stiffness and a ~ 7 times increase in total energy to failure compared to the neat elastomer.  The newly developed design strategy uses mechanically dissimilar components to achieve high transparency and high energy dissipation with a facile and scalable fabrication process. Our approach opens a new avenue for the design and manufacturing of multifunctional composites with high energy dissipation capabilities at large deformations for various applications such as automotive and aerospace components, and space debris capture.