identifier: Peskine, Y. B. (2020). Dépistage automatique de la rétinopathie diabétique dans les images de fond d'oeil à l'aide de l'apprentissage profond  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le diabète est une maladie chronique qui touche plus de 400 millions d'adultes dans le monde. Cette maladie peut entraîner plusieurs complications au cours de la vie d'un malade. Une de ces complications est la rétinopathie diabétique. Il s'agit de la principale cause de cécité chez l'adulte. Cette maladie apparaît souvent sans symptômes, il est donc important pour les personnes atteintes de diabète d'effectuer des vérifications régulières chez un ophtalmologue. Cette vérification s'effectue par la prise d'images numériques de fond d'oeil du patient. Ces images sont ensuite examinées par un médecin afin de donner un diagnostic. Dans ce travail, il est question d'automatiser le diagnostic de la rétinopathie diabétique à l'aide des images numériques de fond d'oeil ainsi que l'apprentissage profond. En effet, les réseaux de neurones ont suscité ces dernières années un intérêt important dans différents domaines, notamment ceux du médical et de la vision par ordinateur. Les réseaux convolutifs permettent des applications tel que la classification ou la segmentation d'images. Ici, la classification correspond à classer les images selon la présence ou non de la rétinopathie diabétique dans les images et la segmentation correspond à extraire des régions d'intérêt, comme les vaisseaux sanguins par exemple.  ABSTRACT: Diabetes is a chronic disease that currently concerns more than 400 millions of adults in the world. This disease can cause several complications during the life of a person. One of these complications is diabetic retinopathy. Being one of the leading cause of blindness in the working age population, this complication is serious and requires medical prevention. This disease often appear without any symptoms, meaning that regular examinations with an ophtalmologist are required to enable its detection and treatment. This work is about automating the diagnostic of diabetic retinopathy, with the use of digital fundus images and deep learning. Indeed, deep learning and neural networks have recently been used in several fields, such as medical applications or computer vision. Convolutional neural networks perform applications such as image classification or image segmentation really well. Here, classification means to label each image based on the presence or absence of diabetic retinopthy in the images and segmentation means to extract regions of interest in the image, such as blood vessels.


identifier: Rumsby, P. (2020). Metal-Based Antireflective Coatings with Improved Durability for Ophthalmic Applications  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Dans une ère de supraconducteurs et d'isolants topologiques, les matériaux typiques peuvent sembler comme il n'ont plus rien à nous offrir. Mais au contraire, la plasmonique a prouvé qu'avec de la physique classique et un concept ingénieux, les métaux peuvent produire des phénomènes optiques intéressants et inattendus, et a inspiré une multitude de nouveaux moyens d'utiliser les métaux en optique. Dans ce travail, nous avons tenté d'utiliser des couches métalliques pour améliorer la performance et la durabilité des lunettes. Plus précisément, le but était de produire un revêtement optique contenant une couche mince métallique permettant un effet antireflet important, et offrant une durabilité suffisante afin de résister à l'usage quotidien d'une paire de lunettes. Les revêtements antireflets (AR), ont été produits selon une architecture diélectrique-métaldiélectrique. L'argent (Ag) fût sélectionné pour la couche métallique en raison de ses propriétés optiques hautement désirables, même parmi les métaux nobles. Cela étant dit, l'utilisation de l'Ag apporte son lot de défis. Tout d'abord, les couches minces d'Ag tendent à former des îlots lorsque déposées sur un diélectrique; ces îlots mènent alors à une absorption indésirable par résonance plasmon localisée. De plus, l'Ag est susceptible chimiquement, pouvant être dégradé par le chlore dans les huiles naturelles de la peau ou l'oxygène de l'air ambiant. Ainsi ce travail traitait de deux aspects: la performance optique devait être contrôlée via la dynamique de croissance, sans introduire de susceptibilités à l'environnement et des mesures de protection devaient être implémentées tout en minimisant leur impact sur la transparence et la performance de l'AR. L'étude a été menée sur des échantillons produits par pulvérisation magnétron et par évaporation par faisceau d'électrons. La dynamique de croissance et les propriétés optiques des couches d'argent ont été étudiées par ellipsométrie spectroscopique in situ, ainsi que par des mesures de la résistance de feuille, par spectrophotométrie et par ellipsométrie ex situ. Les effets des différentes architectures et conditions de dépôt sur la nanostructure et la durabilité des revêtements ont été étudiés par diffraction de rayons-X et dans divers tests de durabilité standardisés conçus pour les lentilles ophthalmiques, tels que la résistance à l'abrasion, à la délamination, à l'humidité et à la corrosion dans une solution aqueuse de NaCl. Le recouvrement de l'Ag par un diélectrique et le dopage à l'aluminium se sont révélés être des mesures de protection insuffisantes.  ABSTRACT: In an era of superconductors and topological insulators, common materials may sometimes seem like they have nothing left to offer. But on the contrary, the field of plasmonics has proved that, with classical physics and a clever concept, metals can provide us with interesting and unexpected optical phenomena and has inspired a multitude of novel uses for metals in optics. In this work, we have attempted to use metallic layers to improve both the performance and durability of eyeglasses. More precisely, the goal was to create an optical coating containing a thin metallic layer to enable a strong antireflective effect, while proving durable enough to survive the daily ordeals of a pair of glasses. Antireflective (AR) coatings were made following a dielectric-metal-dielectric architecture. Silver (Ag) was chosen to constitute the metal layer, due to its highly coveted optical properties even amongst noble metals. That being said, the use of Ag brings about challenges of its own. First, thin Ag layers tend to form islands when deposited on dielectrics; these islands then lead to undesirable absorption due to localized plasmon resonance. Moreover, Ag is susceptible to degradation by a host of chemicals, including the chlorine found in oils naturally coating our skin and the oxygen we breathe. Thus, the work was twofold: optical performance was to be improved through control of the film growth without introducing durability issues and protective measures were to be implemented while minimising their impact on coating transparency and AR performance. The study was performed on samples deposited by magnetron sputtering and electron beam evaporation. Growth dynamics and optical properties of silver films were studied by in situ spectroscopic ellipsometry, as well as ex situ ellipsometry, spectrophotometry and sheet resistance measurements. The effects of these different deposition conditions and architectures on the nanostructure and durability of the coatings were investigated by X-ray diffraction measurements and standardized durability tests designed for ophthalmic lenses, such as resistance to abrasion and delamination, humidity and corrosion in an aqueous NaCl solution. Coating Ag with a dielectric layer and aluminum doping both proved to be insufficient protective measures. The use of nickel (Ni) and chromium nitride (CrNx) based coatings of a few angstroms allow increased chemical and mechanical durability. By separating the Ni and CrNx depositions and using a zinc oxide (ZnO) seed layer, chemically and vii mechanically durable stacks with less than 11% absorption and 1% reflection in the visible spectrum were produced.


identifier: Lâyile, G. (2020). Évaluation de la performance des capteurs véhiculaires pour la détection des usagers vulnérables  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'automatisation graduelle des véhicules repose sur les systèmes d'aide à la conduite. Ces systèmes se basent sur les données de différents capteurs embarqués permettant de percevoir l'environnement et prendre une décision en cas de danger. Dans ce cadre s'articule ce présent projet qui vise à évaluer des capteurs de détection des usagers de la route (véhicule, piéton et cycliste) et d'obstacles. Bien que de nombreuses études d'évaluation des systèmes de détection ont été réalisées dans la littérature, ce sujet reste un défi. Ces études se concentrent sur l'évaluation d'un système composé de différents capteurs fusionnés. Cependant, ce travail évalue la performance des capteurs de manière indépendante. Cette étude vise à déterminer l'efficacité de ces dispositifs destinés à aider les conducteurs à éviter les collisions avec les usagers vulnérables et autres obstacles. Ce présent rapport présente le choix et l'intégration des capteurs véhiculaires, la réalisation de l'expérimentation et la collecte de données dans la ville de Montréal. Les capteurs de détection en question sont un lidar à état stable (solide state) et des caméras de bord (dashcams) qui permettent de détecter les usagers de la route à proximité du véhicule. 'identification des interactions se repose sur des scénarios statiques et dynamiques. Les scénarios statiques étudiés visent à examiner l'efficacité de lidar à la détection d'un piéton et d'un cône de signalisation. Par la suite, une analyse exploratrice a été réalisée pour chaque scénario. Les prédictions ont été extraites en identifiant les données atypiques (les mesures aberrantes) dans l'ensemble de données. La matrice de confusion a été générée en comparant les annotations manuelles et les prédictions. Le rappel du lidar avec l'approche de classification établie est 85,5 %. Nous analysons par la suite la performance sur la mesure de la distance pour le piéton et le cône en test statique. Nous avons calculé l'erreur moyenne absolue et le taux des mesures de la distance dans l'intervalle de tolérance 0,3 quand le piéton, ou le cône existent réellement dans le champ de vision du lidar avec des prédictions qui indiquent l'existence de ces détections. D'une façon générale, nous constatons que l'erreur ne dépasse pas 2,6 m pour tous les segments sauf le segment 12 qui a une erreur de 7,12 m. Mais, le taux des mesures de la distance dans l'intervalle de tolérance ne dépasse pas 52 %. Pour l'étude dynamique, deux expériences ont été réalisées au centre de l'île de Montréal en hiver. La première expérience a duré plus que 2 heures à la fin de la semaine. La deuxième expérience a duré plus que 3 heures au milieu de la semaine. Des interactions avec les types d'usagers (voiture, piéton, cycliste) ont été analysées à partir des données collectées depuis le lidar. Pour les scénarios étudiés, les détections coïncident entre les segments voisins. Finalement, les caméras de bord sont incapables de détecter les usagers vulnérables avec une vitesse inférieure à 50 km/h. Nous constatons que les caméras Garmin 66 w et Thinkware Q800 ne sont pas destiné pour la détection des usagers vulnérables au milieu urbain.  ABSTRACT: Advanced driver assistance systems are based on various sensors, which record data and detect vulnerable road users. In that context, this project aims to evaluate obstacle and road user detection sensors through the study of interactions between road users. Numerous studies evaluating obstacle detection systems have been carried out in the literature. These studies focus on the evaluation of the fusion of different sensors. However, this work evaluates the performance of sensors independently. This report presents the steps of the choice and the integration of vehicle sensors, the implementation of the experiment, and the data collection by circulating in dangerous zones in the city of Montreal. The detection sensors in question are a solid-state lidar and dashcams which detect road users near the vehicle. The identification of interactions is based on static and dynamic scenarios.  The static scenarios studied aim to examine the effectiveness of lidar in detecting a pedestrian and a traffic cone. After extracting the observations corresponding to the areas of interest, an exploratory analysis was carried out for each scenario. Objects of interest were extracted by identifying outliers. Confusion matrix was generated by comparing the actual and estimated detections. In static scenarios, the lidar recall with the studied approach is 85.5%. Then, we analyze the performance on the measurement of the distance for the pedestrian and the cone in static test. The mean absolute error and the rate of the measurements of the distance on the tolerance range of 0,3 m were calculated when the pedestrian and the traffic cone exist in the field of view of the lidar and the predictions detect their presence. In general, the error does not exceed 2,6 m for all segments except segment 12 which has an error of 7,12 m.  However, the rate of the measurements on the tolerance range do not exceed 52%.  For the dynamic study, two experiments were carried out in the center of the island of Montreal in winter. The first experience lasted more than two hours at the end of the week. The second experiment lasted more than three hours in the middle of the week. Interactions with the types of users (car, pedestrian, cyclist) were analyzed from the observations of lidar. We notice a strong consistency in the distance to the object of interest between the neighboring segments. Finally, dashcams are not able to detect vulnerable users with speed below 50 km/h.  Dashcams Garmin 66 W and Thinkware Q800 are not intended for the detection of vulnerable users in urban areas.


identifier: Cheng, C. (2020). Robust Optimization for Supply Chain Applications: Facility Location and Drone Delivery Problems  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les décisions concernant la localisation des infrastructures dans les chaînes d'approvisionnement sont d'une importance stratégique: la construction d'une nouvelle infrastructure est généralement coûteuse et l'impact de cette décision est durable. Une fois qu'une nouvelle installation sera ouverte, elle devrait rester opérationnelle pendant plusieurs années. Cependant, des facteurs environnementaux, tels que les déplacements de population et les catastrophes naturelles, peuvent affecter le fonctionnement des installations. Par exemple, le déplacement de la population peut modifier les modèles de demande, ce qui influence davantage les décisions d'allocation entre les clients et les installations. Les catastrophes naturelles peuvent diminuer partiellement ou complètement la capacité d'une installation, entraînant des décisions de réaffectation ou des pertes de ventes. Toutes ces incertitudes peuvent faire en sorte qu'une décision optimale d'aujourd'hui ne donne pas de bons résultats à l'avenir. Ainsi, il est important de considérer les incertitudes potentielles dans la phase de conception des chaînes d'approvisionnements, tout en prenant explicitement en compte les réaffectations possibles des clients comme décisions de recours dans la phase d'exécution. Dans la première moitié de cette thèse, nous étudions trois problèmes de localisation d'établissements sous risques de perturbations, où chaque travail a un objectif différent. Plus précisément, l'étude du chapitre 3 se concentre principalement sur l'amélioration des algorithmes; le travail du chapitre 4 considère simultanément plusieurs types d'incertitudes; et le chapitre 5 étudie un problème de conception de réseau à trois échelons soumis à des perturbations. Nous adoptons des méthodes d'optimisation robuste (OR) en deux étapes, où les décisions de localisation des installations sont prises ici et maintenant et les décisions de recours pour réaffecter les clients sont prises après que les informations d'incertitude sur la disponibilité des installations et la demande des clients ont été révélées. Nous implémentons des méthodes exactes et approximatives pour résoudre les modèles robustes. Les résultats démontrent que le cadre OR proposé peut améliorer la fiabilité des systèmes de chaîne d'approvisionnement avec seulement une légère augmentation du coût normal (le coût du scénario sans interruption). Les différents modèles construits dans cette thèse peuvent également être utilisés comme outils d'aide à la décision pour voir le compromis entre coût et fiabilité. Outre la planification stratégique, nous avons étudié également les problèmes de niveau opérationnel : problèmes de livraison à l'aide de drones. La livraison par drone est connue comme contributeur potentiel à l'amélioration de l'efficacité et à la résolution des problèmes de livraison du dernier kilomètre. Pour cette raison, le routage des drones est devenu un domaine de recherche très actif ces dernières années. Contrairement au problème de routage des véhicules, cependant, la conception des itinéraires des drones est difficile en raison de multiples caractéristiques opérationnelles, notamment les opérations multi-voyages, la planification de la recharge et le calcul de la consommation d'énergie. Pour combler certaines lacunes importantes dans la littérature, le chapitre 6 résout un problème de routage de drone multi-voyages, où la consommation d'énergie des drones est affectée par la charge utile et la distance de déplacement alors que de telles relations sont non linéaires. Pour aborder la fonction d'énergie non linéaire (convexe), nous proposons deux types de coupes (cuts) qui sont incorporées dans le schéma de branchement et de coupes (branch-and-cut). Nous utilisons une formulation à 2 indices pour modéliser le problème et également générer des instances de référence pour l'évaluation d'algorithmes. Les tests numériques indiquent que même si le modèle d'origine est non linéaire, notre approche est efficace à la fois en termes d'algorithme et de qualité de solution. La livraison par drones peut également être affectée par diverses incertitudes, telles que des conditions de vent incertaines et des obstacles imprévisibles. Motivé par les problèmes de retard des drones résultant de l'incertitude du vent, notre travail dans le chapitre 7 vise à optimiser de manière robuste le risque de retard pour un problème de programmation de drones avec des temps de voyage incertains. À cette fin, nous utilisons un cadre d'optimisation robuste aux distributions pour modéliser le problème. Comme les données historiques sur le vent sont souvent disponibles, nous utilisons des techniques d'apprentissage automatique pour partitionner les données pour la construction de l'ensemble d'ambiguïté. À partir des données météorologiques réelles, nous observons que les conditions de vent l'après-midi dépendent des conditions de vent du matin. Par conséquent, nous proposons une description de l'ambiguïté en ensemble à deux périodes pour modéliser la distribution conjointe des temps de parcours incertains. Nous proposons également un modèle de planification des drones à deux périodes, où les décisions de programmation dans l'après-midi s'adapteraient aux résultats des informations météorologiques observées le matin. En utilisant des données météorologiques réelles, nous validons que le modèle d'optimisation robuste adaptatif peut réduire efficacement le retard dans les tests hors échantillon par rapport à d'autres méthodes de référence.  ABSTRACT: Facility location decision is strategic: The construction of a new facility is typically costly and the impact of the decision is long-lasting. Once a new facility is opened, it is expected to remain in operation for several years. However, environmental factors, such as population shift and natural disasters, may affect facilities' operations. For example, population shift may change demand patterns, which further influence the allocation decisions between customers and facilities. Natural disasters may diminish a facility's capacity partially or completely, resulting in reassignment decisions or lost sales. All these uncertainties may cause today's optimal decision to perform poorly in the future. Thus, it is important to consider potential uncertainties in the supply chain design phase, while explicitly taking into account the possible customer reassignments as recourse decisions in the execution phase. In the first half of this thesis, we study three facility location problems under disruption risks, where each work has a different focus. Specifically, the study in Chapter 3 mainly focuses on algorithmic improvement; the work in Chapter 4 considers multiple types of uncertainties simultaneously; and Chapter 5 studies a three-echelon network design problem under disruptions. We adopt the two-stage robust optimization (RO) method for these problems, where facility location decisions are made here-and-now and recourse decisions to reassign customers are made after the uncertainty information on the facility availability and customer demand has been revealed. We implement both exact and approximate methods to solve the robust models. Results demonstrate that the proposed RO framework can improve supply chain systems' reliability with only a slight increase in the nominal cost (the cost of the disruption-free scenario). The various robust models constructed in this thesis can also be used as decision support tools to see the trade-off between cost and reliability. Besides strategic planning, we also study operational level problems in this thesis—drone delivery problems. Drone delivery is known as a potential contributor in improving efficiency and alleviating last-mile delivery problems. For this reason, drone routing and scheduling has become a highly active area of research in recent years. Unlike the vehicle routing problem, however, designing drones' routes is challenging due to multiple operational characteristics including multi-trip operations, recharge planning, and energy consumption calculation. To fill some important gaps in the literature, Chapter 6 solves a multi-trip drone routing problem, where drones' energy consumption is affected by payload and travel distance whereas such relationships are nonlinear. To tackle the nonlinear (convex) energy function, we propose two types of cuts that are incorporated into the branch-and-cut scheme. We use a 2-index formulation to model the problem and also generate benchmark instances for algorithm evaluation. Numerical tests indicate that even though the original model is nonlinear, our approach is effective in both computational efficiency and solution quality. Drone delivery can also be affected by various uncertainties, such as uncertain wind conditions and unpredictable obstacles. Motivated by the drone lateness issues resulting from wind uncertainty, our work in Chapter 7 aims to robustly optimize the lateness risk for a drone scheduling problem with uncertain travel times. To that end, we use a distributionally robust optimization framework to model the problem. As historical wind data is often available, we use machine learning techniques to partition the data for the construction of the ambiguity set. From the actual weather data, we observe that the wind conditions in the afternoon are dependent on the wind conditions in the morning. Accordingly, we propose a two-period cluster-wise ambiguity set to model the joint distribution of uncertain travel times. We also propose a two-period drone scheduling model, where the scheduling decisions in the afternoon would adapt to the outcome of the weather information observed in the morning. Using actual weather data, we validate that the adaptive robust optimization model can effectively reduce lateness in out-of-sample tests in comparison with other benchmark methods. Keyword: Facility location; disruption risk; demand uncertainty; two-stage robust optimization; column-and-constraint generation; drone delivery; nonlinear energy consumption; branch-and-cut; uncertain weather condition; cluster-wise ambiguity set; distributionally robust optimization


identifier: Dusseault, B. (2020). Construction rapide des g-functions pour l'optimisation financière sous incertitude des systèmes géothermiques  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Resumé Le couplage de thermopompes avec un échangeur de chaleur souterrain permet de réaliser d'importantes économies d'énergie par comparaison aux appareils de chauffage et de climatisation traditionnellement installés. Au Québec, la majorité des projets utilisant cette géothermie de basse température ont recourt à des échangeurs de chaleur en boucles fermées verticales où un fluide caloporteur circule à travers un ensemble de forages en utilisant un circuit fermé de tuyaux. Ces systèmes sont efficaces, mais ont le désavantage important d'être coûteux à l'achat et à l'installation. Pour pallier ce problème, il est courant de concevoir des systèmes hybrides où les pompes à chaleur géothermiques ne permettent pas de couvrir la totalité de la pointe de demande thermique des bâtiments. Utilisés conjointement, des équipements moins dispendieux de chauffage et de climatisation d'appoint permettent de satisfaire les besoins thermiques résiduels lorsque nécessaire. Faisant intervenir davantage d'équipements mécaniques, de paramètres et de variables, ces systèmes géothermiques hybrides sont donc plus difficiles à dimensionner. La taille de l'échangeur de chaleur et le nombre d'appareils auxiliaires se doivent d'être bien ajustés pour assurer la rentabilité du système. Ainsi, à cause de leur complexité, le dimensionnement de systèmes géothermiques hybrides est particulièrement sensible aux incertitudes qui planent sur ce genre de projet : évolution du coût de l'énergie et de la demande en chaleur des bâtiments, propriétés thermiques du sol et coûts initiaux de construction. L'objectif général de cette thèse est de proposer une méthodologie qui permet de mitiger ces risques lors de la conception de systèmes géothermiques hybrides en boucles fermées verticales. Premièrement, une nouvelle méthode permettant le calcul de la g-function du champ de captage géothermique a été élaborée. Cette méthode mise sur une reformulation des problèmes de superposition spatiale et temporelle des contributions thermiques de chaque forage en utilisant une approche par matrice de bloc pour en accélérer grandement la résolution. De plus, l'utilisation de polynômes de Tchebychev pour l'approximation du modèle de la source linéique finie permet son intégration analytique plutôt que de façon numérique, accélérant encore davantage la construction de la fonction de transfert. Les contributions de ces deux approches sont investiguées séparément, puis une fois combinées au sein d'une méthode d'optimisation. Leur combinaison permet d'obtenir la fonction de transfert d'un champ régulier de 50 forages sur un horizon de 40 ans en seulement 0.46 seconde, soit largement plus rapidement que les autres approches ayant déjà été publiées. Ces gains de temps ont été nécessaires pour permettre l'accomplissement du deuxième sous-objectif de recherche de la thèse. Ensuite, pour accélérer au maximum le temps de calcul de la fonction de transfert d'un champ de forages, un réseau neuronal servant à leur estimation a été développé puis entraîné. Pour qu'il possède de bonnes capacités d'approximation et de généralisation, une base de données contenant 500 000 exemples d'entraînement a été assemblée. Compte tenu du nombre de fonctions à calculer, la méthode basée sur une approche matricielle établie pour le premier sous-objectif de cette thèse a été utilisée. Après avoir été entraîné durant 30 jours, ce réseau était capable d'approximer et de construire en une moyenne de 17 centièmes de secondes la g-function de champs comptant entre 1 à 10 forages. La rapidité d'approximation de ce réseau a été mise à profit dans le cadre du troisième sous-objectif de cette thèse lors du design par optimisation stochastique de systèmes géothermiques hybrides : un processus requérant le calcul itératif de dizaines de milliers de g-functions. Au delà du réseau particulier développé pour cet objectif, les travaux présentés dans cet article démontrent qu'il est possible d'utiliser des réseaux neuronaux pour l'estimation de fonction de transferts à long terme et ce, en fonction des besoins précis de l'utilisateur. Troisièmement, une étude de cas a été réalisée portant sur l'impact de l'utilisation d'un algorithme stochastique permettant la conception d'un système géothermique hybride par programmation mixte en nombres entiers sous incertitude. Cet algorithme utilise conjointement le gradient conjugué contraint, une méthode de séparation et évaluation (branch-and-bound) et un balayage pour s'assurer que les forages et les thermopompes évoluent en nombres entiers durant le processus d'optimisation. De plus, pour assurer l'intégration du risque au processus de dimensionnement, un indicateur financier stochastique jamais utilisé en géothermie de basse température a été employé. Empruntée aux domaines du génie civil et de la finance, la valeur actuelle nette à risque permet de converger vers un optimum en utilisant la valeur actuelle nette anticipée moyenne du projet lors des pires scénarios potentiels. La réalisation de cette étude de cas a permis d'entrevoir que ce nouvel indicateur financier permet un dimensionnement conservateur des systèmes hybrides, réduisant grandement les pertes lors des pires scénarios sans diminuer de façon significative les gains lors des scénarios plus favorables. Cette façon de procéder est une alternative souhaitable aux analyses de sensibilité dans un contexte incertain, car elle s'attaque à mitiger l'incertitude à la source au lieu de la quantifier une fois un design proposé. Pour aider les lecteurs à implémenter la valeur actuelle nette à risque dans leurs propres optimisation, une étude paramétrique a été réalisée pour permettre d'établir l'impact des trois paramètres régissant cet indicateur financier. Pour finir, les contributions apportées dans cette thèse permettront aux professionnels d'effectuer le dimensionnement sécuritaire de systèmes géothermiques hybrides en boucles fermées verticales. Ainsi, en misant sur l'efficacité de cette technologie, il sera possible de réduire la quantité d'énergie qui est consacrée au chauffage et à la climatisation.  ABSTRACT: The coupling of heat pumps with a geothermal heat exchanger enables significant energy savings when compared to traditional heating and cooling options. In Quebec, the majority of projects that incorporates low temperature geothermal energy choose to install vertical closed loop systems where a heat carrying fluid circulates through a collection of boreholes using a piping network. These systems are efficient but suffer from high upfront costs. To bypass this problem, it is common practice to install hybrid systems where geothermal heat pumps are undersized and cannot cover the building's energy needs in peak periods. Used alongside the heat pumps are auxiliary heating and cooling equipment that cover the remaining energy needs when necessary. Because they involved more mechanical components, parameters and variables, hybrid systems are more difficult to size properly. The size of the geothermal heat exchanger and the auxiliary equipment must be carefully balanced to insure the financial profitability of the whole system. Therefore, because of their overall complexity, hybrid systems can be particularly sensitive to uncertainties such as the time variation of energy needs and energy costs, the thermal properties of the ground and initial construction costs. The main objective of this thesis is to propose a methodology that allows for the mitigation of those uncertainties during the sizing of hybrid vertical closed-loop systems. First, a new calculation method for the assessment of g-functions for geothermal heat exchangers was developed. This method relies on a reformulation of the temporal and spatial superposition problems of thermal perturbations induced by individual boreholes in a field using a block matrix formulation. This greatly improved the calculation speed of g-function. Furthermore, the use of Tchebychev polynomials to approximate the finite line source model allowed its analytical integration instead of a numerical integration, which proved to be faster. The contributions of these two approaches were investigated both independently and together. Their combination enables the calculation of a g-function for a regular field of 50 boreholes over a period of 40 years in only 0.46 seconds, which is much quicker than published methods. Gains in computation times were mandatory in order to reach the second sub-objective of this thesis. Second, to accelerate even further the calculation of g-functions, an artificial neural network dedicated to their estimation was developed and trained. To insure it possesses good approximation and generalization capabilities, a training database of 500000 g-functions was assembled. Because of the size of this database, the block matrix formulation method that was developed for the first sub-objective of this thesis was used for its creation. After a training phase that lasted 30 days, this artificial neural network was able to approximate and reconstruct the g-function of a field that varies between one and ten boreholes in a matter of 17 hundredths of a second. This approximation speed was later put to use in the third sub-objective of this thesis during the design by stochastic optimization of hybrid groundcoupled heat pump systems: a process that requires the calculation of tens of thousands of g-functions. Apart from the sole development of another g-function construction tool, this work showed that it is possible to use artificial neural networks for the estimation of long-term g-function according to the specific needs of the user. Third, a case study was conducted on the impacts of using a stochastic algorithm that allows for the design by optimization of hybrid ground-coupled heat pump systems with mixed-integer programming under uncertainty. This algorithm uses together the constraint conjugate gradient method, branch-and-bound and sweeping to ensures that boreholes and heat pumps stay on integer numbers all throughout the optimization process. Additionally, to integrate risk management into the design process, a stochastic financial indicator never used before in the field of geothermal energy was implemented. Borrowed from civil engineering and the finance sector, the net present value-at-risk reaches an optimum by considering multiple net present values of a project under the worst foreseeable circumstances. This case study showed that this new financial indicator sized conservative hybrid systems, reducing considerably financial losses during worst cases without reducing significantly the financial gains for the best cases. This design strategy is a better alternative to sensitivity analyses when faced with uncertain conditions, because it focuses on mitigating uncertainties instead of trying to quantify the resulting risk afterwards. To guide the readers into implementing the net present value-at-risk in their own optimizations, a parametrical study was also performed to assess the impacts on proposed designs of the three parameters associated with this financial indicator. Finally, the original contributions of this thesis will give designers the possibility to safely size hybrid vertical closed-loop ground-coupled heat pump systems when faced with uncertainties. Thus, by focusing on the known efficiency of this technology, the overall amount of energy dedicated to heating and cooling can be reduced.


identifier: Rosales Tovar, J. A. (2020). Local VS. Global Models for Job-Candidate Matching  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec le développement des technologies de l'information et la croissance continue du marché du recrutement électronique, l'automatisation du processus de sélection pour trouver le meilleur candidat pour un poste a suscité l'intérêt des chercheurs et des ingénieurs en logiciels ce qui a conduit au développement de modèles complexes, d'algorithmes et de techniques qui exploitent le traitement du langage naturel, la similitude sémantique et l'apprentissage automatique. Cette thèse vise à compléter ce travail, en se concentrant sur la façon d'exploiter les données existantes pour améliorer les performances. Nous évaluons la notion de modèles locaux qui sont des modèles personnalisés construits dans des sous-ensembles de données connexes ayant des caractéristiques similaires. Pour l'évaluation, nous la comparons avec les modèles globaux qui sont un modèle complexe unique sans classification préalable. Pour ce faire, nous avons travaillé avec Airudi, une société de ressources humaines Française Canadienne qui nous a fourni des données réelles que nous utilisons pour construire notre cas d'étude où nous répondons aux questions de recherche suivantes : RQ1. Comment les modèles globaux se comparent-ils en performance aux modèles locaux? RQ2. Comment la précision et le rappel fonctionnent-ils sur différents seuils?  ABSTRACT: Selecting the best candidate for a job position is a challenging topic that has been gaining interest in research and practice. This has led to increasingly more complex models, algorithms and techniques exploiting natural language processing, semantic similarity, and machine learning. This thesis complements this work by taking a step back and focusing on how to better exploit available data in order to further improve model performance. In particular, we empirically evaluate the notion of using “local” models for subsets of the data having similar characteristics (job descriptions) as opposed to using a single, complex “Global Model.” Using job candidate and description data, we found that local models perform better than the global models in terms of precision and recall, with median improvements up to 11.64%. If we substitute the under-performing models with the global model, thus creating a hybrid local model, the difference becomes significant. Our results suggest that local models for job recommendation brings performance advantages in terms of precision and recall over a global model, motivating further research in local models for job recommendation.


identifier: Simon, J. (2020). Échantillonnage sémantique et classification des couleurs pour la recherche de personnes dans les vidéos  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le cadre de ce travail, nous nous intéressons à l'application de la recherche de personnes par une description par mots-clefs, dans des images issues de vidéos de sécurité. Avec ce type d'application, nous cherchons à décrire les personnes présentes dans des vidéos, selon des caractéristiques saillantes (e.g. couleurs des vêtements), sans nous intéresser à leurs identités qui sont inconnues a priori. Il s'agit ainsi d'une approche similaire à la génération de "portraits robots", qui peuvent alors être attachés aux images comme méta-données, facilitant ainsi la recherche de profils particuliers dans des vidéos (e.g. on cherche une personne avec un pantalon vert et un gilet bleu). Dans un premier temps, nous identifions comme caractéristiques saillantes les vêtements, et en particulier nous cherchons à décrire précisément leurs couleurs. L'objectif de notre travail est ainsi le développement d'une méthode de classification des couleurs des vêtements dans les images qui se veut le plus proche possible de la perception humaine. Pour cela, nous nous intéressons à la fois au vocabulaire utilisé, qui se doit d'être suffisamment généraliste, et aux espaces de couleurs considérés, qui doivent pouvoir émuler les propriétés de la perception des couleurs humaine.  ABSTRACT: In this work, we look into the application of person search, in the context of images taken from security cameras. In this type of application, we aim to describe the persons present in videos, according to their characteristics, such as the color of their clothes. The application of person search can be likened to using composite portraits, where persons are described by their semantic parts (such as t-shirt, hat, pants..), and one is looking for persons with specific characteristics. In our case, these characteristics can then be attached to images as metadata, facilitating the search for specific profiles in videos, for example, a person with green pants and a blue shirt. In a first part, we identify the clothes being worn as salient characteristics, and in particular we decide to look into describing very precisely their colors. The goal of our work is thus to propose a color classification method for images, that aims to be as close as possible to human perception.


identifier: Mathieu, Y.-D. (2020). Déplacements par taxi : caractérisation et étude de compétitivité  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RÉSUMÉ; À l'aube de l'arrivée de nouvelles technologies de mobilité (Transportation Network Companies (TNC), micromobilité, Mobility as a service (MaaS)), la part de marché du taxi dans la mobilité quotidienne est une question d'importance dans une optique de planification métropolitaine. De ce fait, avec l'introduction d'UBER à Montréal, en 2016, la réflexion autour de la compétitivité du taxi et de ses alternatives est encore plus pertinente. Ainsi, certains enjeux existent face aux méthodes d'évaluation de la performance de ce mode de transport par rapport à ses concurrents. Le défi d'évaluer l'adéquation entre l'offre et de la demande se présente également. Ce projet de recherche s'inscrit dans une thématique plus large traitant de l'élaboration d'indicateurs de suivi de l'industrie du taxi à Montréal. Ainsi, il sert de continuité aux travaux de Lacombe (2016) et de Laviolette (2017). En revanche, ce projet s'attarde à cibler les déterminants de la demande de déplacements par taxi, sous la perspective de la compétitivité de ce mode par rapport aux alternatives. Trois objectifs sous-jacents tentent de proposer des éléments de réponse à cette problématique.  ABSTRACT: At the dawn of the arrival of new mobility technologies (Transportation Network Companies (TNC), micromobility, Mobility as a service (MaaS)), the market share of the taxi in urban mobility is a matter of importance in strategic planning. As a result, with the introduction of UBER in Montreal in 2016, thinking about the competitiveness of the taxi and its alternatives is even more relevant. Thus, certain challenges exist in the face of methods for monitoring the performance of this mode among its competitors. Along these lines lies the challenge of evaluating the supply-demand balance. This research project is part of a broader program dealing with the development of indicators to monitor the taxi industry in Montreal. Thus, it serves as a continuity to the work of Lacombe (2016) and Laviolette (2017). On the other hand, this project is focusing on targeting the determinants of taxi trip demand, from the perspective of the competitiveness of this mode with respect to its alternatives. Three underlying objectives make it possible to provide insights into this problem.


identifier: Sylvestre-Décary, J. (2020). A Neural Network-Embedded Optimization Approach for Selecting Multiple Entries for March Madness  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: On peut s'attendre à une croissance en popularité des paris sportifs dans le marché américain suite à la légalisation de ceux-ci dans plusieurs états depuis 2018 [1]. De plus, l'augmentation de la quantité de données sur le sport et le développement de nouvelles métriques de performance sportive ont permis depuis quelques années d'avoir une approche statistique pour les problèmes de prise de décision dans le sport. Alors que la littérature sur les paris sportifs couvrent majoritairement des modèles probabilistes pour prédire le résultat d'un évènement, cette thèse s'intéresse plutôt au développement d'une stratégie optimale pour remporter un paris sportif, plus particulièrement le Tournament challenge tenu annuellement par ESPN. Le Tournament Challenge demande aux participants de choisir le gagnant de chacune des 63 parties du March Madness, soit le championnat de fin de saison de basketball collégial américain. Il existe 263 façons de sélectionner les gagnants du tournois. De plus, plusieurs millions de personnes y participent à chaque année. Généralement, seulement un petit pourcentage des meilleurs scores font un gain monétaire ce qui implique qu'un participant doit obtenir un meilleur score que plusieurs millions de personnes pour remporter un gain. Kaplan et al. (2001) ont été les premiers à introduire une approche exacte qui maximise l'espérance de point produit par une entrée. Notre stratégie est la première à considérer plusieurs entrées dépendantes au Tournament Challenge. Notre stratégie cherche à maximiser l'espérance de points produit par le score maximal des k entrées. Deux problèmes découlent de cette stratégie, soit comment évaluer et comment optimiser la fonction objective. Nous présentons trois approches pour évaluer la fonction objective. Cela inclue une méthode exacte qui est un algorithme basé sur un arbre de décision et deux modèles approximatifs, soit une approche par simulation et une approche par apprentissage machine. À partir de ces différents modèles, nous développons deux heuristiques permettant d'optimiser la fonction objective, soit un algorithme génétique et un réseau de neurones intégré à un modèle en nombre entier. Finalement, nous comparons l'espérance de points produits ainsi que le vrai score obtenu par chacune des méthodes pour chaque tournois depuis 2002. Nos deux modèles surpassent pour chaque instance la solution optimal du modèle exacte avec une entrée.  ABSTRACT: Sports gambling are expected to grow in popularity in the US as they have been legalized by many states in the last two years [1]. The availability of sports data and the development of new metrics to evaluate the performance of either athletes or teams have allowed the use of statistical approaches to tackle decision-making problems in sports. While most papers in the literature investigate how to predict the outcome of a game, this thesis addresses the development of an optimal strategy to win a sports betting contest. Specifically, we focus on the ESPN Tournament Challenge which is a sport betting contest on the seasonending championship tournaments of americain college basketball, also known as the March Madness. The ESPN Tournament Challenge asks participants to pick the winner of each of the 63 games in the March Madness. Thus, there is a total of 263 different ways of filling the tournament which makes the challenge a complex task. Every year, millions of people aim to predict accurately the March Madness. This contest often adopts a top-heavy payoff structure which implies that a single participant needs to beat millions of participant to receive a positive payoff. Kaplan et al. (2001) first introduce an exact approach to the problem by selecting a singleentry that maximizes the expected score. We propose a novel strategy that considers a multi-entry approach to the Tournament Challenge. Such a strategy maximizes the expected score of the maximum scoring entry. We face two main challenge, namely, (1) how to evaluate the objective function and (2) how to optimize it. We then present three approaches for the evaluation of the objective function. This includes an exact approach in a Tree-based algorithm and two approximate models, a simulation approach and a neural network approach. Based on these three different models to evaluate the objective function, we develop both a genetic algorithm and a neural network-embedded algorithm. Finally, we compare the expected score and the empirical score by each approach on each tournament played since 2002. Computational experiments show that the proposed models clearly outperform the single-entry exact approach on every instance.


identifier: Cormier, P. (2020). Microscopie de localisation par ultrasons pour l'angiographie myocardique  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les maladies cardiovasculaires s'avèrent être la première cause de mortalité au monde ainsi que la deuxième cause de mortalité au pays. Plus spécifiquement, la maladie coronarienne est représentée par un blocage artériel au niveau coronarien qui peut mener à l'ischémie du myocarde. Les méthodes actuelles de diagnostic de la maladie coronarienne se concentrent sur l'observation du rétrécissement des vaisseaux dans le système vasculaire coronarien pour évaluer l'état de l'organe par un examen ionisant et invasif. De plus, l'atteinte physiologique ou à la fonction de la microvasculature coronarienne est maintenant reconnue comme étant précurseur d'ischémie du myocarde. Plusieurs mécanismes peuvent être en cause, mais une prévalence élevée a été démontrée chez les patients atteints de maladie coronarienne. En somme, nous tirerions grandement avantage d'une modalité d'imagerie non ionisante et non invasive capable de faire la cartographie et la mesure du débit des artérioles et capillaires intramyocardiques, car ils sont le véhicule direct de l'apport sanguin au myocarde.   Avec l'avènement des scanners ultrasonores ultrarapides, les modalités d'imagerie basées sur la localisation et le suivi des microbulles injectées comme agent de contraste permettent l'imagerie du système vasculaire d'un organe avec une résolution surpassant la limite de diffraction. Cependant, l'application de ces modalités d'imagerie vasculaire repose sur une accumulation cohérente des positions des microbulles au sein d'une région d'intérêt ne subissant qu'un mouvement tissulaire minimal. Ce mémoire introduit le développement de l'angiographie dynamique de localisation par ultrasons du myocarde (Dynamic Myocardial Localization Angiography, MULA) une modalité d'imagerie échographique destinée à améliorer le diagnostic et le suivi des traitements des pathologies coronariennes. Techniquement, ce projet visait à la cartographie dynamique des vaisseaux sanguins du myocarde par la localisation de microbulles au sein d'un organe aux mouvements complexes et de grandes amplitudes. De plus, ce mémoire présente les résultats associés à l'utilisation de cette nouvelle technologie pour l'imagerie cardiaque de petits animaux.  ABSTRACT: Cardiovascular diseases are the leading cause of death in the world as well as the second leading cause of death in the country. Specifically, coronary artery disease is represented by an arterial blockage at the coronary level, which can lead to myocardial ischemia. Current methods of diagnosing coronary artery disease focus on observing the narrowing of vessels in the coronary network to assess the condition of the organ, which is normally done by an ionizing or invasive procedure. In addition, physiological damage or the functional impairment of the coronary microvasculature is now recognized as a precursor to myocardial ischemia. Several mechanisms may be involved, but a high prevalence has been demonstrated in patients with coronary artery disease. In short, we would greatly benefit from a non-ionizing and non-invasive imaging modality capable of mapping and measuring the flow of intramyocardial arterioles and capillaries, because they are the direct vehicle of the myocardium's blood income.  With the advent of ultrafast ultrasound scanners, imaging modalities based on the localization and tracking of injected microbubbles allow for the subwavelength resolution imaging of an organ's vasculature. However, the application of these vascular imaging modalities relies on a consistent accumulation of microbubble positions within a region of interest with minimal tissue movement. This work introduces the development of Dynamic Myocardial Ultrasound Localization Angiography (MULA), an imaging modality intended to improve the diagnosis and treatment monitoring of coronary pathologies. This project was aimed at the dynamic mapping of myocardial blood vessels by localizing microbubbles within an organ undergoing complex movements of large amplitudes. In addition, this work presents the results associated with the performance of this new technology in the cardiac imaging of small animals.


identifier: Panquet, Q. (2020). Méthode d'implantation du pilotage de projet par la valeur acquise en entreprise  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le suivi de projet est devenu indispensable à la réussite des entreprises dans un tissu industriel de plus en plus compétitif, c'est pourquoi la méthode de gestion de la valeur acquise (EVM – Earned Value Management) s'est imposée comme un incontournable du contrôle de coût de projet. Après s'être développée principalement dans les secteurs de la construction et de la défense, elle s'est ensuite répandue dans l'industrie publique comme privée, et est désormais devenue un enjeu stratégique majeur pour les entreprises.  La communauté scientifique a principalement étudié l'apport de modèles mathématiques sur la précision de la méthode, mais peu de chercheurs se sont intéressés à son implantation en entreprise : mise à part les bénéfices et facteurs de succès d'implantation, seuls les standards des principaux instituts de gestion de projet proposent une réponse à l'implantation des processus nécessaires à la méthode. Toutefois, les standards ne prennent ni en compte la maturité des entreprises, ni la stratégie d'implantation souhaitée, et leur structure ne supporte pas l'amélioration de processus, la démarche d'implantation n'apparaissant pas clairement dans les documents. L'objectif de ce projet découlant de ce constat est de développer une méthode de plan d'implantation de l'EVM en entreprise. La méthodologie DRM (Design Research Methodology), méthodologie de recherche appliquée mixte, a été employée afin de répondre à cette problématique. La méthode développée identifie les activités à réaliser et leur séquencement, ainsi que les rôles, techniques et livrables correspondants. Elle permettra à l'entreprise l'appliquant d'identifier ce qui doit être fait, par qui et dans quel ordre. La phase d'analyse de l'existant de la méthode permet de prendre en compte la maturité de l'entreprise à partir d'une analyse des processus et d'un audit de l'entreprise. Ensuite, les recommandations pertinentes sont sélectionnées, avant de définir les stratégies d'implantation selon les besoins et contraintes du partenaire. Des entretiens avec des professionnels du même secteur que l'entreprise permettent de vérifier la pertinence du contenu sélectionné, avant de le répartir par stratégie et étape d'implantation. Enfin, l'impact sur l'entreprise est cartographié puis analysé afin d'en dégager les coûts et bénéfices attendus pour chacune des stratégies.Cette méthode a été appliquée à un partenaire industriel du secteur de la construction souhaitant implanter l'EVM, ce qui a permis de définir plusieurs stratégies puis de produire les différents extrants de la méthode. Ces derniers ont pu faire ensuite l'objet d'une validation préliminaire par le partenaire. Pour conclure, les contributions de ce projet de recherche sont de permettre aux entreprises d'être guidées dans leur implantation de l'EVM, tout en adaptant le contenu de la littérature à la maturité et à l'orientation stratégique souhaitées.  ABSTRACT: Project monitoring has become essential to the success of companies in an increasingly competitive industrial environment, which is why Earned Value Management (EVM) has become an essential part of project cost control. After having developed mainly in the construction and defense sectors, it then spread to both public and private industry, and has now become a major strategic issue for companies. The scientific community has mainly studied the contribution of mathematical models on the accuracy of the method, but few researchers have been interested in its implementation in companies: apart from the benefits and success factors of implementation, only the standards of the main project management institutes offer an answer to the implementation of the processes required by the method. However, the standards do not consider the maturity of the companies, nor the desired implementation strategy, and their structure does not support process improvement, as the implementation approach is not clearly stated in the documents. The objective of this project is to develop an EVM implementation plan method for companies.  The Design Research Methodology (DRM), a mixed applied research methodology, was used to address this issue.  The method developed identifies the activities to be carried out and their sequencing, as well as the corresponding roles, techniques, and deliverables. It will allow the company applying it to identify what needs to be done, by whom and in what order. The analysis of the existing situation phase allows to consider the maturity of the company based on a process analysis and an audit of the company. Then, relevant recommendations are selected, before defining implementation strategies according to the partner's needs and constraints. Interviews with professionals from the same sector as the company allow us to verify the relevance of the selected content, before dividing it by strategy and implementation stage. Finally, the impact on the company is mapped and then analyzed to determine the expected costs and benefits for each strategy.  This method was applied to an industrial partner in the construction sector wishing to implement the EVM, which made it possible to define several strategies and then to produce the various outputs of the method. These outputs were then subject to preliminary validation by the partner. In conclusion, the contributions of this research project are to guide companies in their implementation of EVM, while adapting the content of the literature to the desired maturity and strategic orientation.


identifier: Gagné, K. (2020). Applications de la résonance magnétique nucléaire dans le champ magnétique de fuite des appareils cliniques d'imagerie par résonance magnétique  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les technologies d'imagerie médicale modernes ont donné cours à une véritable révolution de la médecine de par l'information précise que ces dernières permettent d'obtenir sur certaines pathologies et sur certains processus physiologiques, et ce, de façon non invasive. Parmi ces technologies, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) s'est démarquée comme étalon d'or en ce qui a trait à l'imagerie de tissus mous. Au-delà de sa fonction primaire d'imagerie, cette modalité permet en autres choses la rétroaction rapide sur l'évolution d'interventions médicales délicates en vue de minimiser les risques de complications, mais aussi de diminuer le caractère invasif de telles procédures. L'utilisation des modèles d'appareils d'IRM classiques, dont la configuration est à tunnel fermé, rend cependant l'utilisation de telles méthodes d'IRM interventionnelle particulièrement difficile en raison des restrictions d'accès aux patients découlant de la géométrie de ces appareils. Les appareils d'IRM ouverts permettent quant à eux un certain accès au patient lors de telles interventions, mais ont pour désavantage de posséder un espace de travail limité en plus de produire des images de qualité moindre. Le champ magnétique de fuite (CMF) des appareils cliniques d'imagerie par résonance magnétique est typiquement considéré comme une nuisance en raison des contraintes matérielles y étant associées. Néanmoins, une publication récente faisait état d'une nouvelle méthode de navigation de cathéters magnétiques utilisant le fort actionnement magnétique disponible en périphérie d'un appareil clinique d'IRM. Poursuivant cette exploration des possibilités de l'environnement magnétique varié qu'est le CMF, cette thèse propose d'utiliser des méthodes de résonance magnétique nucléaire (RMN) dans le CMF d'appareils d'IRM cliniques à tunnel fermé. S'appuyant fortement sur les développements ayant été faits dans le contexte du CMF d'appareils de spectrométrie par RMN à la fin du 20e siècle, la faisabilité de telles acquisitions en CMF d'appareils d'IRM et l'influence des paramètres de RMN classiques sur le signal mesuré ont premièrement été démontrées. Par la suite, une plateforme d'automatisation des acquisitions à échelle humaine a été conçue, ouvrant la porte à une foule d'applications avancées en CMF. Le profilage d'échantillons a ainsi été rendu possible, permettant la localisation de différents objets dans le CMF d'appareils d'IRM avec une précision excédant les 500 µm. Dans le cadre de cet ouvrage, l'imagerie planaire en CMF a aussi été démontrée, permettant l'obtention d'images dont la résolution surpasse celle des appareils d'IRM modernes de pointe. L'acquisition de signal RMN en CMF pour des milieux mobiles a finalement été explorée et utilisée pour grandement accélérer l'obtention des résultats dans le cadre des autres méthodes rapportées. Malgré l'éventail relativement large d'applications explorées dans cet ouvrage, une quantité importante de travaux futurs pourront être entrepris dans ce tout nouvel environnement. Il est envisagé que les méthodes d'acquisitions en CMF constitueront un complément de grand intérêt aux méthodes classiques d'IRM, permettant en particulier la combinaison d'acquisitions d'IRM de haute qualité aux possibilités offertes par un accès complet au patient durant une intervention médicale délicate.  ABSTRACT: Modern medical imaging technologies gave birth to a true revolution in medicine through the precise information that they non invasively provide on certain pathologies or physiological processes. Among these technologies, magnetic resonance imaging (MRI) has stood out as the gold standard for soft tissue imaging. Beyond its primary imaging function, this modality allows, among other things, rapid feedback on delicate medical interventions, thus minimizing the risk of complications, but also reducing the invasiveness of such procedures. The use of conventional MRI devices, which share a closed bore configuration, however makes the use of such interventionnal methods particularly difficult due to patient access restrictions resulting from the geometry of such devices. On the other hand, open MRI scanners allow some access to the patient, but have the disadvantage of decreasing the device's working space and the quality of the images obtained. The magnetic fringe field (MFF) of clinical magnetic resonance imaging devices is typically considered a nuisance dut to the dangers and constraints associated with it. However, a recent publication reported on a new method of navigation for magnetic micro-catheters using the strong magnetic actuation available in the venicity of a clinical MRI device. Continuing this exploration of the possibilities of the varied magnetic environment that is the MFF, this thesis proposes to use nuclear magnetic resonance (NMR) methods in the MFF of closed tunnel clinical MRI scaners. Drawing heavily on the developments made in the MFF of NMR spectrometers devices at the end of the 20th century, the feasibility of NMR acquisitions in the MFF of MRI devices as well as the caracterization of the influence of standard NMR parameters on the obteined signal, was first demonstrated. Subsequently, a human-scale acquisition automation platform was designed, opening the door to a variety of advanced MFF applications. Samples profiling has thus been made possible, allowing the location of different objects in the MFF of MRI devices at a precision exceeding 500 µm. In this work, planar MFF imaging is also demonstrated, enabling images at resolutions exceeding the one of current state of the art MRI scanners to be obtained. The acquisition of an NMR signal in the MFF for mobile media was finally explored and used to greatly accelerate the otaining of results via the other methods reported. Despite the relatively wide range of applications explored in this study, a significant amount of future work remains in this entirely new medical environment. It is forseen that the MFF acquisition methods will represent a complement of great interest to conventional MRI methods as it would allow the combination of high quality MRI acquisitions and full access to the patient during challenging medical interventions.


identifier: Charbachi, P. (2020). Étude permettant d'établir des corrélations entre les accélérations qui traduisent la qualité du confort de la voie ferrée et les défauts géométriques identifiés  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En Amérique du Nord, les défauts géométriques représentent une des principales causes de déraillements. Étant donné que les défauts géométriques affectent considérablement les conditions de la voie ferrée, et qu'ils sont susceptibles de provoquer des accidents, il est pertinent de s'intéresser au développement et à l'amélioration de méthodes visant à mieux détecter et identifier ces anomalies de la voie ferrée. La présente étude a été réalisée dans le cadre d'un projet en collaboration avec le Conseil de Recherche du Canada (CNRC) et Via Rail Canada, dans le but de déterminer les relations qui existent entre les données d'accélérations traduisant la qualité du confort de la voie ferrée et les défauts géométriques de la voie ferrée. Plus particulièrement, l'objectif est d'identifier précisément les défauts géométriques les plus problématiques, ainsi que les plans (vertical, latéral et longitudinal) dans lesquels se situent ces défauts géométriques. Les données des accélérations proviennent du CNRC et les données des défauts géométriques de la voie ferrée ont été fournies par VIA Rail. Toutes les données des accélérations ont été récoltées en août 2018, par le biais de deux bogies instrumentés. Quant aux données des défauts géométriques de la voie ferrée, elles ont été récoltées en novembre 2018 par le biais d'un train d'évaluation de la géométrie de la voie ferrée. Toutes les données ont été collectées dans la subdivision de Smith Falls, en Ontario. À partir des données obtenues, les défauts géométriques les plus significatifs pour faire l'étude ont été retenus. Ensuite, les accélérations associées aux plans vertical, latéral et longitudinal ont été identifiées. Les accélérations ont ensuite été classées, selon un niveau de criticité. Les minimums et les maximums des accélérations ont été calculés, à l'aide de la formule du TQI. Par la suite ils ont été associés aux défauts géométriques, par le biais d'une régression linéaire. Finalement, les corrélations entre les accélérations et les défauts géométriques de la voie ferrée ont été établies. Les résultats obtenus ont démontré qu'il existe une très forte corrélation (0,61) entre les maximums des accélérations et le défaut géométrique de profil. On peut donc affirmer que le défaut de profil est problématique, puisqu'il affecte considérablement la qualité du confort de la voie ferrée. Plus particulièrement, des corrélations entre les accélérations ont permis d'associer un défaut géométrique de profil avec le plan vertical. Aucune autre corrélation n'a pu être établie, et cela peut s'expliquer par le faible nombre de données de défauts géométriques disponibles au moment de faire l'étude. Il serait donc intéressant de mener une nouvelle étude avec un plus large éventail de données de défauts géométriques. Toutefois, les résultats obtenus dans cette étude, tels que l'identification précise d'un défaut géométrique problématique, ainsi que le plan auquel il est associé, constituent des contributions significatives pour le domaine ferroviaire, puisque ces résultats pourraient grandement faciliter la programmation d'outils automatisés lors des inspections et de la surveillance des voies ferrées.  ABSTRACT: In North America, track geometry defects are one of the main causes of derailments. Considering that track geometry defects affect the conditions of the railway, and that they are likely to cause accidents, it is relevant to be interested in the development and improvement of methods aimed at better detecting and identifying these track geometry defects. The present study was conducted in collaboration with the National Research Council of Canada (NRC) and Via Rail Canada, aiming to determine the relationships that exist between the acceleration that quantify the quality of ride comfort and the track geometry defects. Moreover, the objective is to identify precisely the most problematic geometry defects, as well as the planes (vertical, lateral and longitudinal) in which these geometry defects are located in. The acceleration data were provided by the NRC and the track geometry defects data were provided by VIA Rail Canada. The acceleration data were collected in August 2018, using two instrumented train bogies. The data on the track geometry defects were collected in November 2018 through a specialized track evaluation train. All data were collected on the Smith Falls subdivision in Ontario. From the data received, the most significant track geometry defects for the study were selected. Thereafter, the accelerations associated with the vertical, lateral and longitudinal planes were identified. The accelerations were then classified, according to a level of criticality. The minimums and maximums of the accelerations were calculated, using the TQI formula. Afterwards, the minimums and maximums of the accelerations were subsequently associated with track geometry defects, through linear regression. Finally, the correlations between the accelerations and the track geometry defects were established. The results demonstrated that there is a very strong correlation (0.61) between the maximums of the accelerations and the track geometry profile defect. Thus, we can say that the track geometry profile defect is problematic, since it considerably affects the quality of the ride comfort. More precisely, the correlations between accelerations have made it possible to associate a track geometry profile defect with the vertical plane. No other correlation could be established, and this may be explained by the low number of track geometry defects data available at the time of the study.


identifier: Meango, T. J.-M. (2020). Modèles de fiabilité et de maintenance prédictive de systèmes sujets à des défaillances interactives  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'interaction des défaillances est une thématique qui prend une ampleur considérable dans le monde de la recherche industrielle moderne. Les systèmes sont de plus en plus complexes et leurs fonctionnements et défaillances sur le long terme sont sujets à diverses sources d'influence internes et externes. Les actifs physiques en particulier sont soumis à l'impact du temps, de l'environnement et du rythme de leur utilisation. Connaître ces sources d'influence n'est pas suffisant car il importe de comprendre quelles sont les relations qui les lient afin de planifier de façon efficiente la maintenance des actifs. En effet, cette dernière peut s'avérer très couteuse et sa mauvaise planification peut conduire à l'utilisation de systèmes dangereux pouvant engendrer des évènements catastrophiques. La fiabilité est un vaste domaine. Elle propose une large panoplie de modèles mathématiques qui permettent de prédire le fonctionnement et les défaillances des actifs physiques. Ceci dit, les concepts des modèles les plus appliqués à ce jour se basent sur des hypothèses parfois simplistes et occultent bien souvent certaines relations de dépendances qui régissent un système. L'interaction des défaillances dans le cadre des dépendances stochastiques est abordée par de nombreux travaux de recherches. Par contre, la compréhension et l'implémentation de ces travaux demeurent un défi pour les spécialistes en maintenance qui ont besoin de modèles réalistes pour une maintenance préventive efficace. Cette thèse traite de la fiabilité et la maintenance prédictive des actifs physiques en exploitation et sujets à divers modes de défaillance interactifs. Elle établit avant tout l'importance d'accorder une attention particulière à l'interaction des défaillances dans le domaine de la fiabilité et de la maintenance. Dans une revue de littérature, les concepts et les méthodes de modélisation et d'optimisation en fiabilité et en maintenance préventive sont présentés. Les divers types de dépendances dans un système sont discutés. Un cas d'application, à savoir celui des ponceaux en béton, est proposé. Les travaux entrepris par la suite fournissent avant tout un cadre pour la modélisation de la fiabilité incluant l'interaction des défaillances. A cette fin, une étude comparative des modèles existants les plus pertinents est effectuée de points de vue conceptuel, méthodologique et applicatif. Le cadre étant défini, un modèle basé sur les chocs extrêmes et les chaînes de Markov est construit afin de valoriser le caractère séquentiel des défaillances interactives. Cette proposition est améliorée pour prendre en compte la dégradation du système. Une stratégie de maintenance prédictive est conséquemment développée. Toutes ces approches sont appliquées à un ensemble de ponceaux en béton observés sur plusieurs années. Cela permet d'expliquer les dépendances entre l'occurrence de déplacements et l'occurrence de fissures dans une structure. Tous ces concepts et résultats sont finalement discutés afin de déterminer des perspectives réalistes pour une étude approfondie de l'interactivité d'un point de vue fiabiliste et dans un but stratégique pour la planification de la maintenance.  ABSTRACT: Failure interaction is a subject gaining growing attention in the world of modern industrial research. Systems are becoming increasingly complex. Their life cycles are subject to various internal and external influences. Physical assets in particular are impacted by time, environment and usage. Knowing these sources of influence is not enough. Indeed, it is important to understand the relationships between them in order to plan effectively for the maintenance of assets. Maintenance can be quite expensive. Thus, poor planning can lead to dangerous systems that could cause catastrophic events. Reliability engineering offers a wide range of mathematical models to predict failures. That being said, the concepts of the most widely applied models in the industry are often based on simplistic assumptions and tend to overlook certain dependencies within a system. Failure interaction in the context of stochastic dependencies is largely addressed in the literature. However, understanding and implementing the proposed approaches remains a challenge for maintenance specialists that need realistic models for efficient maintenance planning. This thesis focuses on the reliability and predictive maintenance of physical assets subject to interactive failure modes. First of all, it emphasizes the importance of paying particular attention to failure interaction. In a literature review, the concepts and methods for modeling and optimizing reliability and preventive maintenance are presented. The diverse dependencies in a system are discussed. A case study is proposed, namely concrete culverts. Subsequently, the research provides a framework for modeling reliability that integrates the interaction of failures. To this end, the most relevant models in the literature are comparatively studied from a conceptual, methodological and applicative point of view. In the defined framework, a model based on extreme shocks and Markov processes is built in order to represent the sequential nature of interactive failures. This approach is extended to take into account the natural degradation of a system. A predictive maintenance strategy is consequently developed. All these models are applied to a set of concrete culverts observed over several years. The dependences between the occurrence of displacements and the occurrence of cracks in a structure are explained through these approaches. Finally, these concepts and results are discussed in order to determine realistic perspectives for in-depth studies of the impact of failure interaction on reliability and for strategic maintenance planning


identifier: Xu, R. (2020). Electrochemical Studies on the Biopigment Eumelanin  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Pour répondre à la demande énergétique mondiale croissante, nous devons fabriquer des dispositifs de stockage d'énergie pour de multiples besoins futurs. La durabilité motive la recherche de matériaux / produits chimiques abondants, non toxiques et bon marché pour des dispositifs de stockage d'énergie à faible consommation d'énergie et dont l'utilisation n'a pas d'impact négatif sur l'environnement. Les matières organiques actives redox extraites de sources naturelles (bio-sourcées) sont intrigantes pour de tels dispositifs de stockage d'énergie. L'eumélanine qui est un bio-pigment brun-noir à base de quinone est un candidat prometteur pour les électrodes organiques conçus à partir de matériaux provenant des bio-sources. L'eumélanine présente des propriétés fonctionnelles intéressantes, notamment l'absorption optique à large bande, l'activité redox (propriétés de transfert d'électrons) et des propriétés antioxydantes (par chélation des ions métalliques et piégeage des radicaux). Parmi ces propriétés fonctionnelles, le transfert d'électrons est essentiel pour le stockage d'énergie ainsi que pour exploiter les propriétés anti-oxydantes du biopigment. L'eumélanine naturelle est composée de deux éléments de base, le 5,6-dihydroxyindole (DHI) et l'acide 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylique (DHICA). Cependant, son hétérogénéité chimique est reconnue comme le principal défi pour l'étude de ses propriétés redox. Dans cette thèse de doctorat, nous avons fabriqué des eumélanines contrôlées chimiquement à partir leurs éléments constitutifs, à savoir DHI-mélanine, DHICA-mélanine et DHI-DHICA-mélanine dans des rapports contrôlés. L'objectif principal de ce travail est de faire la lumière sur les propriétés redox de l'eumélanine à l'aide de méthodes électrochimiques. Dans l'article 1 et l'article 3, nous avons caractérisé l'eumélanine par les techniques de voltampérométrie et une microscopie électronique à balayage (SEM) dans le but de comprendre et de contrôler davantage ses propriétés électrochimiques basées sur l'effet des ions métalliques, les valeurs de pH des électrolytes, etc. À l'article 2, nous avons étudié l'effet de l'irradiation lumineuse sur les propriétés de stockage d'énergie de l'eumélanine, dans le but d'améliorer lesdites propriétés par la lumière solaire qui est considérée comme source d'énergie durable. En effet, une augmentation de la capacité / capacité d'environ 50% de l'eumélanine est observée sous irradiation lumineuse.  ABSTRACT: To meet the growing global energy demand, we need to fabricate energy storage devices for multiple future needs. Sustainability motivates the search for abundant, non-toxic, low-cost materials/chemicals for low-embedded energy and eco-friendly energy storage devices. Redox active organic materials extracted from natural sources (bio-sourced) are intriguing for such energy storage devices. The quinone-based brown-black biopigment eumelanin is a promising candidate for bio-sourced organic electrode materials. Eumelanin features interesting functional properties including broadband optical absorption, redox activity (electron transfer properties), and antioxidant properties (through metal ion chelation and radical scavenging). Among these functional properties, electron transfer is essential for energy storage as well as to exploit the antioxidant properties of the biopigment. Natural eumelanin is composed of two building blocks, 5,6-dihydroxyindole (DHI) and 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid (DHICA). Natural eumelanin features chemical heterogeneity, which is recognized as the main challenge for studying its redox properties. In this work, we fabricated chemically controlled eumelanins from the building blocks, i.e. DHI-melanin, DHICA-melanin, and DHI-DHICA-melanin in controlled ratios. The main goal of this work is to shed light on the redox properties of eumelanin using electrochemical methods. In Article 1 and Article 3, we conducted cyclic voltammetry and scanning electron microscopy (SEM) on eumelanin, aiming at understanding and further controlling its electrochemical properties based on the effect of metal ions, pH values of the electrolytes, etc. In Article 2, we studied the effect of light irradiation on the energy storage properties of eumelanin, aiming at enhancing its energy storage properties by the sustainable source solar light. Indeed, ca 50% enhanced capacity/capacitance of eumelanin is observed under light irradiation. In Article 3, the antioxidant/prooxidant dual properties of eumelanin are studied by exposing the samples to reactive oxygen species (ROS) and transition metal ions. Cyclic voltammetry, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and SEM are used to characterize such effects. Article 3 aims at understanding the dual properties of eumelanin and proposing possible methods to suppress the prooxidant properties of eumelanin, which is reported to be the main cause of neurondegeneration-related diseases.


identifier: Gauthier, M.-A. (2020). Impact du confort sur le choix des trajets en transport collectif  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les modèles d'affectation utilisés pour la modélisation des transports collectifs permettent de déterminer le choix de trajets par les usagers en fonction de certains paramètres, tels que le temps de parcours, le nombre de correspondances, le temps d'attente et le temps d'accès. Cependant, ces modèles négligent certains paramètres, tels que la charge à bord et l'augmentation du temps de parcours par le nombre d'embarquements et de débarquements. Dans un réseau de transport collectif où la charge à bord devient élevée au point d'atteindre le point de saturation, il devient nécessaire de trouver des solutions afin de répondre convenablement aux besoins des usagers et leur offrir des options leur permettant d'accomplir leur déplacement tout en évitant une ligne chargée. Par exemple, il pourrait être pertinent d'offrir aux usagers une ligne de bus parallèle à une ligne de métro pour libérer de l'espace sur la ligne de métro. En revanche, le bus est contraint aux aléas de la circulation routière par rapport au métro, faisant qu'il peut être un choix moins attrayant pour un usager. Ainsi, il est intéressant de connaître les paramètres qui ont une influence sur le choix d'itinéraire d'un usager, dont la charge et le mode.  ABSTRACT: The assignment models used for public transit modelling can be used to determine the route choice based on certain parameters, such as travel time, number of transfers, waiting time and access time. However, these models overlook certain parameters, such as the number of people on-board and the increase in travel time due to boarding and alighting. In a public transport network where the load approaches the point of saturation, it becomes necessary to find solutions to adequately meet the needs of users and offer them options allowing them to complete their journey while avoiding a busy line. For example, it may be appropriate to offer users a bus line parallel to a metro line to free up space on the metro line. On the other hand, the bus is constrained to road traffic compared to the metro, making it a less attractive choice for a user. Thus, it is interesting to know the parameters that influence the choice of route of a user, including the load and mode.