identifier: Tobler, A. (2019). Méthode de recherche d'information basée sur LDA : étude de cas sur trois revues québécoises en sciences humaines et sociales  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'accès rapide à une information pertinente est un enjeu crucial dans un monde contemporain inondé de données. En particulier, extraire efficacement de l'information à partir de données non structurées comme le texte est une tâche difficile. En réponse à ce besoin, l'approche d'apprentissage automatique a montré des résultats prometteurs. Toutefois, la littérature se préoccupe peu de l'opérationnalisation de ces algorithmes à des données différentes de corpus en anglais dans le domaine des sciences naturelles. De fait, les pistes d'application de ces méthodes auprès de la communauté de chercheurs en sciences sociales sont nombreuses mais restent inexploitées. En particulier, une famille de modèles probabilistes, regroupés sous le nom de modèles de thèmes, s'est avérée prometteuse sur certaines tâches telles que la classification et la recherche de documents. Toutefois, du chemin reste à parcourir pour exploiter le potentiel de ces modèles auprès de chercheurs en sciences sociales. Le but de ce travail est de visualiser, d'évaluer et d'appliquer un modèle de thèmes, le Latent Dirichlet Allocation (LDA), sur un corpus d'articles en sciences humaines et sociales. En particulier, nous proposons une méthodologie d'intégration de ce modèle à une tâche de recherche d'information permettant d'évaluer la pertinence du LDA sur ce type de collection. L'étude caractérise d'abord quelques paramètres clés dans l'utilisation de ce modèle. Elle montre en particulier que la lemmatisation du vocabulaire n'apporte aucun avantage significatif aux résultats obtenus. Ensuite, elle montre que les méthodes d'évaluation du LDA employées dans la littérature ne sont pas suffisantes pour permettre une application fiable de ces modèles sur les revues étudiées. Pour répondre à ce manque, une méthode de validation externe basée sur une tâche de recherche de documents a donc été développée puis évaluée par des universitaires en SHS. Trois résultats principaux ressortent de cette évaluation opérationnelle. En premier lieu, utiliser directement la représentation vectorielle latente du modèle LDA améliore la pertinence des résultats par rapport à un algorithme utilisant une fréquence de termes liés à la requête. Ensuite, les résultats de fouille sont indépendants du nombre de thèmes du modèle LDA utilisé pour effectuer la fouille dans le cas où on se base sur l'espace latent du LDA. Enfin, l'étude de la spécificité de la requête sur les résultats de fouille n'a pas dégagé d'effet clair sur le corpus étudié.  ABSTRACT: Enabling a quick access to relevant information is a crucial issue in a world saturated with data. Specifically, extracting information from unstructured data like text is a difficult task. The machine learning approach to solve this task has recently shown promising results. However, the literature does not tackle the operationalization of these algorithms to data that differs from corpus published in English in the field of natural sciences. Thus, the application of these methods to research issues in social sciences stays rather unexplored. A specific family of probabilistic models, known as topic models, has shown promising results on some tasks such as document classification. However, further studies are needed to enable a full exploitation of these models for social scientists. The goal of this work is to visualize and evaluate a specific topic model known as Latent Dirichlet Allocation, on a corpus of articles in social sciences. We develop a methodology to integrate this model into an information retrieval task. Our study first characterizes some key parameters needed to use this mode. It shows that the lemmatization of vocabulary does not bring any significant benefit to the results. It also indicates that the methods used to evaluate topic models in the literature are not enough to ensure the reliability of these models when applied to a corpus in social sciences. To fill this gap, we developed an external validation method through an information retrieval task evaluated by SHS experts. Three main results were obtained. First, directly using the latent representation of the LDA leads to better relevant results compared to an algorithm using a frequency count of terms related to the query. Second, the relevance of results appears to be independent of the number of topics used in the LDA model. Finally, the specificity of the query does not affect clearly the search results.


identifier: Lu, Y. (2019). Développement des systèmes d'imagerie basés sur la tomographie par cohérence optique visant l'étude des maladies cardiovasculaires  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les maladies cardiovasculaires (CVD) sont la principale cause de décès depuis des décennies. Son taux de morbidité élevé engendre un fardeau social et économique énorme et à la société. L'imagerie biomédicale est un outil important pour étudier et évaluer les CVDs. Notamment, la tomographie par cohérence optique (OCT) a montré des avantages attrayants pour la recherche appliquée aux CVDs. Le but global de cette thèse est le développement de systèmes OCT combinés avec d'autres techniques d'imagerie optique pour étudier les CVDs.  Le premier objectif est de développer un système d'imagerie intravasculaire combinant l'OCT et l'imagerie par fluorescence proche infrarouge (NIRF), qui pourrait à terme être utilisé pour la détection et l'évaluation de l'athérosclérose dans les artères coronaires. L'originalité du travail se situe dans l'utilisation d'une nouvelle technique de détection de photons, la détection de photons à déclenchement rapide, intégrée dans notre système d'imagerie, ce qui a considérablement amélioré le rapport signal sur bruit et la sensibilité en profondeur de la NIRF. Une expérience ex vivo dans des conditions réalistes a validé le mécanisme de notre système d'imagerie intravasculaire à double modalité au niveau des aspects optique, mécanique et logiciel. Les images hybrides provenant de l'OCT et de la NIRF ont fourni des informations structurelles et moléculaires sur le fantôme imitant le vaisseau sanguin, ce qui suggère un grand potentiel d'utilisation de notre système d'imagerie chez des modèles animaux.  Le deuxième objectif de cette thèse était d'étudier les impacts de l'athérosclérose sur différents aspects du cerveau de souris avec l'aide de plusieurs techniques d'imagerie optique, y compris l'imagerie intrinsèque optique, l'OCT et la microscopie à deux-photon. En comparaison avec les souris athérosclérotiques jeunes, le groupe âgé a montré un changement de concentration plus faible en hémoglobine oxygénée, hémoglobine désoxygénée et hémoglobine totale dans le cortex somatosensoriel à la suite de la stimulation par vibrisse, ce qui indique que la maladie d'athérosclérose réduit la réponse hémodynamique à la stimulation sensorielle. Les résultats obtenus à partir des données Doppler OCT ont révélé que le diamètre et le débit sanguin moyen des artérioles descendantes chez les souris ATX âgées étaient significativement plus petits comparés avec ceux des souris ATX jeunes, ce qui suggère que l'athérosclérose entraîne une dégénérescence structurelle et fonctionnelle des artérioles. L'altération fonctionnelle a également été observée dans les capillaires chez les souris ATX âgées, caractérisée par une plus faible vitesse es globules rouges (RBC), un plus faible flux de RBC, un plus faible hématocrite et une plus grande hétérogénéité du temps de transit capillaire. L'oxygénation tissulaire évaluée par la microscopie à deux photons a confirmé que l'altération de la microvascularisation liée à l'athérosclérose compromettait l'apport d'oxygène au tissu cérébral, amenant une hypoxie cérébrale chez les vieilles souris ATX. Les capillaires chez les souris ATX âgées ont été trouvés dilatés, ce qui pourrait être un mécanisme de régulation servant à compenser partiellement la diminution du débit sanguin associée à l'athérosclérose.  Le troisième objectif de cette thèse est d'étudier la réparation du tissu cérébral et la régénération microvasculaire suite à un accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique chez des souris en utilisant un système OCT construit dans le laboratoire. Le modèle d'AVC ischémique a été créé par occlusion photo-thrombotique des capillaires. Sur les images de l'OCT, seuls les tissus cérébraux profonds ont été endommagés par l'AVC ischémique, alors que les tissus proches de la surface corticale étaient intacts bien qu'ils aient été exposés à une intensité de laser plus élevée pendant la photo-thrombose. Cette observation implique que les tissus cérébraux profonds sont plus vulnérables lorsque l'apport d'oxygène des capillaires est interrompu au cours d'un AVC ischémique. Au cours de la récupération post-AVC, la lésion ischémique diminuait pendant que la régénération microvasculaire progressait. De plus, le réseau capillaire nouvellement formé autour de la lésion avait une structure hautement organisée et directionnelle avec un grand pourcentage de segments capillaires s'étendant vers le centre ischémique. Plus le réseau capillaire était profond, mieux sa structure était organisée, ce qui suggère que l'oxygénation des tissus profonds est plus dépendante du réseau capillaire. Notre analyse des événements de blocage capillaire a révélé que l'AVC ischémique augmentait à la fois la densité et l'incidence de blocage capillaire. Étant donné que le blocage capillaire pourrait entraîner une réduction du débit sanguin cérébral, il pourrait être utile de le cibler pour chercher de nouveaux traitements pour l'AVC.  ABSTRACT: Cardiovascular diseases (CVD) have been the leading cause of death for decades, and their high morbidity rate has led to enormous social and economic burden to both patients and society. Biomedical imaging systems are important tools to study and assess CVDs. Optical coherence tomography (OCT) has shown appealing advantages in CVD research. The general purpose of this thesis is the development of OCT-based imaging systems coupled with other optical imaging techniques to investigate CVDs.  The first objective of this thesis is to develop an intravascular imaging system combining OCT and near infrared fluorescence (NIRF) imaging, which could ultimately be used for the detection and evaluation of atherosclerosis in coronary arteries. A novel photon detection technique, fast time-gating photon detection, was integrated into our imaging system, which improved significantly the signal-to-noise ratio and the depth sensitivity of NIRF. Ex vivo experiment under realist conditions validated the mechanism of our dual modality intravascular imaging system in terms of the optical, mechanical and software aspects. The hybrid images from OCT and NIRF provided structural and molecular information on the vessel-mimicking phantom, suggesting a great potential of our imaging system to be used in animal models.  The second objective of this thesis is to study the impact of atherosclerotic disease on different aspects of mouse brain by using a variety of high-resolution optical imaging techniques, including intrinsic optical signal imaging, OCT and two-photon microscopy. Compared with the young atherosclerotic (ATX) mice, the old ones displayed a smaller change in the concentration of oxygenated hemoglobin, deoxygenated hemoglobin and total hemoglobin in the barrel cortex following whisker stimulation, which indicates that atherosclerotic disease is associated with reduced hemodynamic response to sensory stimulation. Results derived from Doppler OCT data revealed that the diameter and the mean blood flow of diving arterioles in the old ATX mice were significantly smaller compared with those in the young ATX mice, suggesting that atherosclerosis leads to structural and functional degeneration in descending arterioles. Functional alteration was also observed in capillaries among the old ATX mice with lower red blood cell (RBC) speed, lower RBC flux, lower hematocrit and higher transit time heterogeneity. Tissue oxygenation assessed by two-photon microscopy confirmed that atherosclerosis-related microvasculature impairment severely compromised oxygen supply to brain tissue, causing cerebral hypoxia in the old ATX mice. Capillaries in the old ATX mice were found dilated, which could be a regulatory mechanism of partially compensating atherosclerosis-associated blood flow decrease.  The third objective of this thesis is to study post-stroke tissue repair and microvasculature regeneration and function in a mouse model of stroke using a custom-made OCT imaging system. Ischemic stroke model was created by photo-thrombotic occlusion of capillaries. On OCT structural and angiographic images, only deep cerebral tissue was found damaged by the ischemic stroke, whereas tissue close to the cortical surface seemed intact although it was exposed to a high laser intensity during the photo-thrombosis. This observation implies that deep cerebral tissue is more vulnerable when oxygen supply from capillaries are interrupted during ischemic stroke. Over the course of post-stroke recovery, ischemic lesion diminished while microvasculature regeneration progressed. Furthermore, the newly formed capillary network surrounding the lesion had a highly organized and directional structure with a large percentage of capillary segments stretching towards the ischemic center. Deeper de novo microvasculature had a better organized structure than shallower one, suggesting that deeper tissue oxygenation has a higher dependence on capillary network. Our stalling event analysis revealed that ischemic stroke increased both stalling density and incidence. As stalling can lead to cerebral blood flow reduction, targeting post-stroke stalling could be useful to develop new treatment for stroke.


identifier: El Ayeb, S. (2019). Développement d'un outil de segmentation des comportements d'achat des clients en se basant sur leurs données morphologiques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'analyse des marchés commerciaux est actuellement un processus aussi bien scientifique qu'industriel. Il consiste à recueillir et explorer des informations reliées aux clients en vue de mieux comprendre leurs comportements, habitudes et intérêts. Cette analyse est fortement utilisée par les entreprises afin de les guider dans leurs décisions opérationnelles et stratégiques. Ce mémoire présente un des outils d'analyse des marchés les plus utilisés dans la littérature, qui est la segmentation. Cette approche vise à diviser un ensemble d'individus hétérogènes, en groupes plus homogènes, en se basant sur des critères prédéterminés. La segmentation des marchés est employée dans plusieurs domaines, et vise à diviser un ensemble de clients en plus petits groupes ayant des comportements similaires. Elle peut être employée pour l'amélioration de l'impact et des revenus des produits et services existants ou pour préparer l'introduction de nouveaux produits sur les marchés. Dans notre cas, la segmentation des clients est basée sur l'évolution de tailles des vêtements qu'ils commandent, ou ce qu'on appellera leurs données morphologiques. Les clients font leurs achats sur une plateforme d'achat en ligne fournie par notre partenaire industriel. Notre partenaire est une entreprise qui se charge de la sous-traitance des programmes d'uniformes pour ses clients. Dans ce travail, nous avons utilisé des méthodes de « data mining » pour analyser l'historique des données d'achat d'un des clients de notre partenaire pour une durée d'étude déterminée. Les analyses sont par la suite concentrées sur le type de vêtements le plus commandé, soit les chemises. Des séries chronologiques des tailles commandées pour chaque client sont construites. Ces séries chronologiques permettent d'étudier l'évolution des tailles dans le temps. La segmentation est par la suite appliquée sur ces séries chronologiques afin d'obtenir des groupes ayant des comportements similaires. La similarité entre les clients est basée sur une métrique appelée le Dynamic Time Warping. Cette distance a été choisie parce qu'elle est la plus adaptée pour comparer les séries temporelles en se basant sur leurs formes et en ne tenant pas compte du décalage sur l'axe temporel. Plusieurs tests basés sur différentes méthodes et algorithmes ont eu lieu. Aussi plusieurs structures et variantes des séries temporelles ont été testées. Les séries temporelles retenues sont des séries exprimées en fonction de la variation des mensurations dans le temps. Elles ont été normalisées avec la norme z. Deux segmentations avec des nombres de groupes égaux à six et à dix ont été réalisées. Finalement, une évaluation et une analyse des résultats de la segmentation ont été effectuées pour valider les résultats recueillis. En premier lieu, l'évaluation s'est basée sur la visualisation des groupes obtenus et sur le critère de silhouette. Ce critère permet de mesurer la qualité d'une segmentation donnée, en se basant sur l'homogénéité intragroupe et l'hétérogénéité inter-groupe. Nous avons trouvé que la segmentation en dix groupes a permis d'avoir de meilleurs groupes. Dans un second temps, pour chacun des cas, l'analyse des groupes nous a permis de comprendre la structure et les caractéristiques de ces derniers. Nous avons trouvé que la majorité des clients ont des courbes d'évolution croissante. Nous avons aussi constaté que les groupes ayant des courbes d'évolution stables, ont des pourcentages de retour relativement élevés par rapport à leurs pourcentages d'achat. La répartition des hommes et des femmes dans les groupes est semblable à celle du groupe de clients initial. Cependant, les groupes ayant un pourcentage de femme plus important que les autres ont des moyennes de tailles plus petites.  ABSTRACT: The analysis of commercial markets is currently a scientific as well as an industrial process. It consists of collecting and exploring information related to clients in order to better understand their behaviours, habits and interests. This analysis is widely used by companies to guide them in their operational and strategic decisions. This paper presents one of the most widely used market analysis tools in the literature, namely segmentation. This approach aims to divide a set of heterogeneous individuals into more homogeneous groups, based on predetermined criteria. Market segmentation is used in several areas and aims to divide a set of customers into smaller groups with similar behaviors. It can be used to improve the impact and revenues of existing products and services or to prepare for the introduction of new products to markets. In our case, customer segmentation is based on the size evolution of the clothes they order, or what we will call their morphological data. Customers make their purchases on an online shopping platform provided by our partner. Our partner is a company that subcontracts uniform programs for its customers. In this work, we used data mining methods to analyze the purchase data history of one of our partner's customers for a specific study period. The analyses are then focused on the most ordered type of clothing, namely shirts. Time series of the sizes ordered for each customer are built. These time series make it possible to study the evolution of sizes over time. Segmentation is then applied to these time series to obtain groups with similar behaviors. The similarity between customers is based on a metric called Dynamic Time Warping. This distance was chosen because it is the most suitable for comparing time series based on their shapes and ignoring the time axis offset. Several tests based on different methods and algorithms were carried out. Also, several structures and variants of the time series were tested. The time series used are series expressed as a function of the variation in measurements over time, and which were normalized with the z-norm. Two segmentations with numbers of groups equal to six and ten were performed. Finally, an evaluation and analysis of the segmentation results was carried out to validate the results collected. First, the evaluation was based on the visualization of the groups obtained and on the silhouette criterion. This criterion makes it possible to measure the quality of a given segmentation, based on intra-group homogeneity and inter-group heterogeneity. We found that the segmentation into ten groups allowed us to have better groups. This segmentation improved the silhouette index obtained with six groups. In a second step, for each case, the analysis of the groups allowed us to understand their structure and characteristics. We found that most clients have increasing trend curves. We also found that groups with stable evolution curves have relatively high return rates compared to their purchase rates. The distribution of men and women in the groups is similar to that of the original client group. However, groups with a higher percentage of women were found to have smaller average sizes.


identifier: Nebot Janvier, L. (2019). Développement d'un outil minimal de simulation de la circulation pour la sécurité routière  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'analyse de la sécurité routière repose le plus souvent sur les données historiques d'accidents. Une telle approche est réactive dans la mesure où il faut attendre de longues périodes de temps pour recueillir suffisamment de données provenant des rapports d'accident pour identifier les sites dangereux et mettre en oeuvre des solutions. Il s'agit donc d'une question éthique, car il faut attendre que les accidents se produisent pour les prévenir in fine. Les lacunes des méthodes de diagnostic de sécurité basées sur les données d'accidents sont connues depuis longtemps et ont suscité un intérêt pour l'élaboration de méthodes alternatives et proactives. Les mesures fournies par ces méthodes sont collectivement connues sous le nom de mesures substituts de sécurité (MSS). Elles s'appuient sur l'observation d'événements ou d'interactions de la circulation dont l'issue n'est pas un accident, et sur l'évaluation de leur gravité au moyen d'indicateurs de proximité temporelle et spatiale.  ABSTRACT: Road traffic safety analysis most commonly relies on historical crash records. Such an approach is reactive to the extent that one must wait for long periods of time to collect sufficient data coming from crash reports to identify unsafe sites and implement solutions. This constitutes therefore an ethical issue as one needs to wait for accidents to occur to prevent them. The shortcomings of crash-based safety diagnosis methods have been known for a long time, and have prompted interest in alternative, proactive, methods. The measures provided by such methods are collectively known as surrogate measures of safety (SMoS). They rely on the observations of traffic events or interactions that do not end up as crashes, and the evaluation of their safety through temporal and spatial indicators of proximity. The best-known methods for SMoS and the first to be developed (starting in the late 1960s) are traffic conflict techniques (TCTs) that include conceptual and practical definitions of traffic conflicts and methods to collect them and derive measures of safety from them, usually from the number of serious traffic conflicts.


identifier: Cambay, F. (2019). Influence de la N-glycosylation des immunoglobulines G et des récepteurs Fc gamma sur leurs interactions  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'immunothérapie regroupe l'ensemble des traitements utilisant certaines composantes du système immunitaire (p.ex. des protéines ou des cellules) d'une personne pour traiter ou prévenir des maladies. Parmi ces composantes, les anticorps monoclonaux (AcM), issus d'un même clone de lymphocyte B et reconnaissant le même épitope, sont les plus largement utilisés à des fins thérapeutiques pour lutter contre des maladies telles que le cancer et les maladies auto-immunes. Il s'agit d'ailleurs du groupe de molécules thérapeutiques ayant la plus forte croissance et selon les prévisions, les AcM et leurs dérivés continueront de dominer le marché des biopharmaceutiques dans les prochaines années. L'engouement pour les AcM est principalement lié à leur rôle d'agent de liaison entre la reconnaissance spécifique d'un antigène et le déclenchement de la réponse immunitaire liée à diverses fonctions effectrices. En effet, les AcM thérapeutiques sont principalement basés sur l'immunoglobuline G1 (IgG1). Structurellement, celle-ci se compose de deux régions Fab exprimant un site de liaison spécifique à un antigène et une région Fc, portant deux sites hautement conservés de N-glycosylation et les sites d'interaction de plusieurs ligands dont les récepteurs Fcγ (FcγR). Le déclenchement de la réponse immunitaire via l'interaction de l'IgG avec les FcγR est le mode d'action majoritaire des AcM thérapeutiques. Ces récepteurs sont présents à la surface des cellules de l'immunité innée et permettent la neutralisation ou la destruction de pathogènes via l'activation de fonctions effectrices telles que la cytotoxicité à médiation cellulaire dépendante des anticorps (ADCC). Par ailleurs, la N-glycosylation des IgG1 est considérée comme un attribut de qualité critique puisqu'elle est susceptible d'affecter leurs propriétés pharmacocinétiques et pharmacodynamiques. En particulier, la N-glycosylation des IgG1 est essentielle pour l'interaction avec les FcγR et le glycoprofil de l'IgG1 influence son affinité pour les FcγR, les fonctions effectrices et in fine l'efficacité thérapeutique. Les travaux présentés ici approfondissent le rôle de la N-glycosylation des IgG et des FcγR sur leurs interactions à l'aide d'une technique biophysique dont le principe de détection est basé sur la résonance des plasmons de surface (SPR).  ABSTRACT: Immunotherapy refers to all treatments using certain components of the immune system (e.g. proteins or cells) to treat or prevent diseases. Among these components, monoclonal antibodies (mAbs), derived from the same B lymphocyte clone and recognizing the same epitope, are the most widely used as treatment for cancer and autoimmune diseases. This is the fastest growing group of therapeutic molecules and according to the forecasts, mAbs and mAb-based products will continue to dominate the biopharmaceutical market in the coming years. Such interest for mAbs is mainly related to their role as a link between the specific recognition of an antigen and the triggering of the immune response related to various effector functions. Indeed, therapeutic mAbs are mainly based on immunoglobulin G1 (IgG1). Structurally, it consists of two Fab regions expressing an antigen-specific binding site and one Fc region, carrying two highly conserved N-glycosylation sites and the interaction sites of several ligands including the Fcγ receptors (FcγRs). The triggering of the immune response via the interaction of IgG with FcγR is the main mode of action of therapeutic mAbs. These receptors are present on the surface of immune cells and enable the neutralization or the destruction of pathogens through the activation of effector functions such as antibody dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC). Furthermore, the N-glycosylation of mAbs is considered to be a critical quality attribute since it may affect their pharmacokinetic and pharmacodynamic properties. In particular, the N-glycosylation of IgG1 is necessary for interaction with FcγRs and it is well-known that the IgG1 glycoprofile influences its affinity for FcγRs, effector functions and in fine its therapeutic efficacy. The work presented here is focused on the role of IgG1 and FcγRs N-glycosylation on their interactions using a biophysical technique whose detection is based on surface plasmon resonance (SPR).


identifier: Yari, B. (2019). Production of LiPO3 From LiH2PO4 in a Ball-Mill Rotary-Kiln (BaMRoK) Reactor  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La demande mondiale pour les batteries lithium-ion (LIB) continue de croître à un rythme exponentiel qui ne semble pas s'estomper. La concurrence des géants de la production de LIBs dans les trois principaux secteurs de l'industrie, notamment les appareils électroniques, les véhicules électriques, et le stockage sur réseau électrique pour équilibrer les énergies renouvelables, a été le moteur de cette augmentation fulgurante au cours des deux dernières décennies. De nombreux facteurs affectent cette concurrence, notamment la densité d'énergie et de puissance, l'énergie spécifique, la capacité, la tension, le cycle de vie, le coût et la sécurité, et différents composants de la batterie tels que la cathode, l'anode et l'électrolyte déterminent ces facteurs.  ABSTRACT: The growth in the global demand for the lithium-ion batteries (LIBs) is still on its exponential track and does not seem to settle soon. The competition of the giants of the lithium-ion battery production in the three main sectors of industry including electric vehicles, electric grid storage for balancing renewable energy, and electronic appliances has been the driving force for this overwhelming increase during last 2 decades. Many different factors affect this competition including but not limited to energy and power density, specific energy, capacity, voltage, life cycle, cost and safety. Different components of the battery like cathode, anode, and electrolyte determine these factors.


identifier: Ghezelbash, F. (2019). Subject-Specific Computational Musculoskeletal Modeling of Human Trunk in Lifting : Role of Age, Sex, Body Weight and Body Height  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les troubles musculosquelettiques sont parmi les problèmes de santé les plus fréquents et les plus coûteux au monde. Les maux de dos figurent en deuxième position sur la liste des états chroniques les plus répandus au Canada et quatre adultes sur cinq souffriront de lombalgie un jour ou l'autre de leur vie. Les efforts excessifs sur la colonne vertébrale constituent l'un des facteurs de risque potentiels de lombalgie et peuvent initier ou générer de la douleur et de la dégénérescence des disques. À cet effet, plusieurs études s'accordent pour affirmer qu'une estimation juste des charges vertébrales est utile pour une prévention efficace des blessures et pour des programmes de réadaptation appropriés. Toutefois, il n'existe pas de méthodes directes pour mesurer les charges vertébrales et de plus, toutes les méthodes indirectes (comme la mesure de la pression intradiscale – PID – et l'estimation au moyen de prothèse discale instrumentée) sont invasives et limitées. Les modèles musculosquelettiques (MS) offrent toutefois une alternative intéressante en estimant de manière non invasive, économique et précise les forces musculaires, les charges vertébrales ainsi que la stabilité de la colonne vertébrale en tenant compte des différences individuelles.  Dans cette thèse, un modèle MS du tronc par éléments finis (EF) guidé par la cinématique a été mis à niveau. L'architecture des origines et insertions musculaires a été améliorée, une unité vertébrale comprenant un disque déformable a été ajoutée (T11-T12) et un nouvel algorithme de mise à l'échelle a été introduit afin d'explorer les effets du sexe, de l'âge, du poids et de la taille sur la biomécanique et les charges appliquées sur la colonne vertébrale. Au moyen de données issues d'imageries médicales et à partir de principes biomécaniques, l'algorithme de mise à l'échelle a permis d'ajuster l'architecture musculaire (les bras de levier des muscles et les aires transverses), la géométrie et les propriétés passives ligamentaires de la colonne vertébrale ainsi que la charge gravitationnelle, le tout en fonction du sexe, de l'âge, du poids et de la taille. Une analyse de sensibilité a été effectuée au moyen d'une analyse factorielle multiple. Les données d'entrées du modèle (sexe, âge, poids et taille) ont été modifiées à l'intérieur de plages physiologiques (sexe : femme et homme ; âge : 35 à 60 ans ; poids : 50 à 120 kg ; taille : 150 à 190 cm) tandis que le modèle personnalisé par EF était guidé par une cinématique spécifique à l'âge et au sexe lors de différentes tâches de flexion avant avec ou sans charges manuelles. Des graphiques illustrant les effets principaux et des analyses de variance ont été utilisés pour évaluer les effets des données d'entrées sur le chargement au dos. Le poids du corps a été le facteur le plus influent, en expliquant 99 % du chargement lombaire en compression et 96 % de celui en cisaillement, alors que les effets de la taille, du sexe et de l'âge (<5 %) étaient minimes. Aussi, pour des poids et des tailles similaires aux hommes, les femmes supportaient généralement des charges plus importantes au dos (5 % en compression, 9 % en cisaillement)   La prévalence de l'obésité, dont l'indice de masse corporelle (IMC) dépasse les 30 kg/m2, est en croissance constante dans les pays développés comme dans les pays en voie de développement et a atteint un seuil critique « d'épidémie mondiale ». Bien que l'obésité soit associée à plusieurs problèmes au dos (ex. : dégénération discale, fractures vertébrales, maux de dos), le rôle de la biomécanique dans les problèmes liés à l'obésité demeure inconnu. La distribution du tissu adipeux varie considérablement d'un individu obèse à un autre, et ce, même dans les cas d'IMC et de poids identiques. On retrouve différentes formes d'obésité, dont celle « en pomme » et celle « en poire » (androïde et gynoïde respectivement). Le rôle de l'obésité et des formes d'obésité sur les charges supportées par la colonne vertébrale et sur les fractures de compression vertébrale a été étudié à l'aide du modèle personnalisé mis à jour. Trois formes distinctes d'obésité (correspondant à une taille de circonférence minimale, moyenne et maximale) pour un poids et un IMC identiques ont été simulées au moyen de mensurations anthropométriques obtenues à partir de 5852 individus obèses et d'une analyse par composantes principales. L'obésité a des conséquences significatives sur le chargement lombaire : la compression sur L4-L5 a bondi de 16 % (2820 N vs 3350 N) pour une flexion avant sans charges lorsque l'IMC a augmenté de 31 kg/m2 à 39 kg/m2. Dans une comparaison entre une taille de circonférence minimale (obésité en forme de poire) et celle d'une circonférence maximale (obésité en forme de pomme), le chargement lombaire a subi une augmentation similaire à celle d'ajouter 20 kg de poids supplémentaire, ainsi qu'un risque de fracture de fatigue vertébrale sept fois plus élevé. En somme, l'obésité et les formes d'obésité ont une influence considérable sur la biomécanique de la colonne vertébrale, et donc, devraient être prises en compte lors d'une modélisation spécifique aux sujets.  En plus de servir à l'évaluation de la force maximale du tronc et à la normalisation de l'électromyographie (EMG), les contractions musculaires volontaires maximales (CVM) peuvent être utilisées pour calibrer et valider les modèles MS. La performance du modèle MS personnalisé a été étudiée en comparant les activités musculaires estimées avec les EMG durant diverses tâches de CVM. Le stress musculaire maximal des muscles du tronc a également été calculé pour chaque sujet. Ce dernier a varié considérablement entre différents sujets et groupes musculaires. Le muscle grand droit et le muscle oblique externe de l'abdomen ont eu, respectivement, le plus petite (0,40 ±0,22 MPa) et la plus grande valeur (0,99 ±0,29 MPa) de stress musculaire maximal parmi les groupes de muscles. Pour les CVM en flexion et en extension, les activités musculaires estimées correspondaient adéquatement avec les EMG. Cependant, cette correspondance était faible pour les CVM en flexion latérale et rotations axiales. Le chargement lombaire des femmes était en général plus faible que celui des hommes. Les charges vertébrales maximales lors des CVM ont été obtenues lors des efforts en extension (compression d'environ 6000 N à L5-S1) tandis que les plus faibles ont été enregistrées en flexion avant (compression d'environ 3000 N à L5-S1) ; les participants ont subi des chargements lombaires assez importants durant des CVM en flexion latérale et rotation axiale. (5500 N en compression et 1700 N en cisaillement). La prédiction exacte du stress musculaire maximal et l'évaluation complète de la performance d'un modèle MS nécessitent la prise en compte des tâches de CVM dans toutes les directions et l'application des moments dans les plans principaux et couplés du modèle.  Une simulation adéquate des ligaments passifs de la colonne vertébrale, l'une des composantes majeures d'un modèle MS du tronc, est d'une importance capitale. Les modèles détaillés d'EF peuvent capturer avec précision les réactions non linéaires et temporelles de la colonne vertébrale. Toutefois, en raison des coûts de calcul importants des modèles détaillés d'éléments finis, des modèles simplifiés (c.-à-d. à partir de joints sphériques et de poutres ayant des propriétés passives linéaires ou non linéaires) sont couramment utilisés dans les principaux modèles MS. Par conséquent, la précision et la validité de l'utilisation de modèles simplifiés et de leur positionnement antéro-postérieur dans l'estimation de la cinématique de la colonne vertébrale ligamentaire, des forces musculaires et des charges spinales ont été étudiées. Contrairement aux poutres, les articulations de type sphérique négligeaient les degrés de liberté en translation et n'ont pas réussi à prédire la cinématique de la colonne lombaire avec précision, surtout dans la direction craniocaudale. Les poutres et les joints sphériques non linéaires ont prédit de manière satisfaisante la PID en comparaison avec les mesures in vivo d'activités physiques variées. En revanche, l'utilisation des poutres ou des joints sphériques aux propriétés linéaires passives n'a donné que des résultats valides que pour des angles de flexion d'amplitude faible ou modérée (<40 o). En négligeant les propriétés passives des articulations (joints sphériques sans frottement), on a considérablement augmenté le chargement lombaire en compression et en cisaillement, de 32 % et 63 % respectivement. Le déplacement postérieur (de 8 mm) d'une articulation simplifiée a augmenté les charges lombaires (en compression et en cisaillement) d'environ 20 %, tandis qu'un déplacement vers l'avant (2 mm) a diminué de 10 % la compression et de 18 % la force de cisaillement. De plus, un déplacement postérieur du modèle simplifié a réduit la force passive des muscles agonistes, et ce, tout en augmentant leurs composantes actives. Les modèles d'articulation simplifiés avec des propriétés passives non linéaires devraient se situer entre -2 à +4 mm (+ : postérieur) du centre du disque pour des prédictions justes des forces sur la colonne vertébrale et des forces musculaires actives/passives.  L'obtention de résultats valides à l'aide des modèles MS exige des moyens considérables comme une collecte complète de données (ex. : cinématiques, EMG), un laboratoire bien équipé et une formation suffisante. Par ailleurs, des équations de régression faciles à utiliser ont précédemment été mises au point pour estimer le chargement lombaire. Cependant, ces équations ne tiennent pas compte de l'anthropométrie des participants (ex. : poids et taille) fondée sur une approche physiologique, et elles négligent souvent l'asymétrie de la tâche. Dans cette partie de l'étude, des équations de régression spécifiques aux sujets ont été développées pour prédire le chargement lombaire (à L4-L5 et L5-S1) en utilisant un modèle d'EF guidé par la cinématique. L'exactitude de ce modèle et des équations de régression ont été évaluées en comparant les activités musculaires estimées par le modèle avec ceux obtenus au moyen de l'EMG et des PDI calculées avec ceux de la littérature existante. Les valeurs estimées de la PDI spécifiques aux sujets présentaient des corrélations élevées avec les résultats d'études in vivo lors de tâches symétriques et asymétriques (R2=0.82). Dans le cas des tâches symétriques, les estimations d'activité musculaire étaient raisonnablement comparables avec les résultats d'EMG. Toutefois, dans les tâches asymétriques, les estimations étaient moyennement (muscles du dos) ou faiblement (muscles de l'abdomen) en accord avec les EMG. En somme, les équations de régression développées peuvent être utilisées dans le but d'estimer le chargement lombaire dans des tâches de levage symétriques et asymétriques. Ces équations personnalisées pourraient servir à l'évaluation des risques de blessure au dos lors d'activités de manutention.  En résumé, un modèle MS d'EF guidé par la cinématique, mis à jour par une architecture musculaire améliorée, un disque déformable additionnel (T11-T12) et un nouvel algorithme de mise à l'échelle a été utilisé pour examiner la biomécanique personnalisée de la colonne vertébrale. En personnalisant tous les paramètres du modèle MS (les bras de levier des muscles, les aires transverses musculaires, le chargement gravitationnel, la géométrie de la colonne, les propriétés passives et la cinématique de la colonne vertébrale), et en effectuant une analyse de sensibilité sur les données d'entrées du modèle (sexe, âge, taille et poids), il a été démontré que le poids d'une personne influence nettement les forces de chargement subies par la colonne vertébrale, alors que l'influence des autres facteurs était plutôt faible. Deux formes distinctes d'obésité ont été reconstituées à partir d'un ensemble de données anthropométriques disponibles dans la littérature. Les résultats ont établi que l'obésité et les formes d'obésité (formes en pomme ou en poire) affectent, toutes les deux, les forces sur la colonne vertébrale ainsi que le risque de fracture de fatigue vertébrale. Lors de tâches de CVM (en extension, en flexion, en flexion latérale et en rotation axiale), les grandeurs du stress musculaire variaient substantiellement parmi les sujets et différents groupes musculaires. Dans le cas des CVM en flexion et en extension, les valeurs prédites d'activité musculaire par le modèle personnalisé étaient près des EMG enregistrés, alors que les prédictions concernant les CVM en rotation axiale et en flexion latérale n'avaient pas la même exactitude. Des poutres et des joints sphériques ayant des propriétés non linéaires (d'une position variant de -2 à +4 mm [+ : postérieur] du centre des disques) prédisait avec exactitudes les cinématiques de la colonne vertébrale, le chargement lombaire et les activités musculaires. Par contre, les modèles articulaires qui avaient des propriétés linéaires ou qui n'avaient pas de degrés de liberté en translation détérioraient l'exactitude des prédictions. Enfin, des équations de régression faciles à utiliser ont été mises au point dans le but de prédire les forces de compression et de cisaillement subies par la colonne vertébrale (aux niveaux L4-L5 et L5-S1) lors de tâches symétriques et asymétriques. Les équations personnalisées ont correctement estimé les valeurs de PID en comparant les valeurs calculées avec les résultats mesurés in vivo retrouvés dans la littérature. Lors de plusieurs tâches symétriques et asymétriques, les valeurs estimées des activités musculaires étaient moyennement (pour les muscles du dos) à faiblement (pour les muscles abdominaux) comparables avec les EMG enregistrés des participants. Par conséquent, les équations de régression proposées peuvent être utilisées pour évaluer les risques de blessures lors d'activités de manutention.  ABSTRACT: Musculoskeletal disorders are one the most frequent and costly disabilities in the world. Back problems are the second most common chronic condition in Canada. Four out of five adults experience low back pain in their lifetime. As one of the potential risk factors of back pain, excessive loads on the spine can initiate and promote disc degeneration and pain, so accurate estimation of spinal loads are helpful in designing effective prevention, evaluation, and treatment programs. There is no direct method to measure spinal loads, and all indirect methods (intradiscal pressure – IDP – and instrumented vertebral replacement) are invasive and scarce. Alternatively, musculoskeletal (MS) models with physiological scaling algorithms economically and accurately estimate muscle forces, spinal loads and spinal stability margin by taking into account individual differences.  An existing kinematics driven (KD) finite element (FE) MS musculoskeletal model of the trunk has been upgraded in this work by refining the muscle architecture, by adding a new deformable disc level (T11-T12), and by introducing a novel scaling algorithm to explore likely effects of sex, age, body weight (BW) and body height (BH) on spine biomechanics and spinal loads. By using imaging datasets and biomechanical principles, the scaling algorithm adjusted the muscle architecture (muscle moment arms and cross-sectional areas), spine geometry, passive properties of the ligamentous spine and gravity loads based on subject's sex, age, BH and BW. To perform a sensitivity analysis in a full-factorial design, model inputs (i.e., sex, age, BH and BW) were altered within physiological ranges (sex: female and male; age: 35-60 years; BH: 150-190 cm; BW:50-120 kg) while the personalized KD-FE model of the trunk was driven with sex- and age-specific kinematics during different forward flexion tasks with and without a hand-load. Main effect plots and the analysis of variance were employed to investigate effects of inputs on spinal loads. As the most influential factor, BW contributed 99% to compression and 96% to shear spinal loads while effects of BH, sex and age (<5%) remained much smaller. At identical BH, BW and waist circumference, females had slightly greater spinal loads (5% in compression; 9% in shear).  The prevalence of obesity (body mass index; BMI>30 kg/m2) is rising in both developed and developing countries, and has reached “global epidemic” proportions. Although obesity has been associated with various back problems (e.g., disc degeneration, vertebral fracture and back pain),the likely role of biomechanics in obesity-related back problems is still unknown. At identical BMI and BW, fat distribution varies substantially from one obese individual to another. Different obesity types have qualitatively been described as apple- and pear-shaped (or android and gynoid). Therefore, effects of obesity and obesity shapes on spinal loads and vertebral compression fracture were investigated by using the upgraded subject-specific model. At identical BW and BH, three distinct obesity shapes (corresponding to minimum, average and maximum waist circumferences) were reconstructed by using available anthropometric measurements of 5852 obese individuals and principal component analysis. Obesity markedly affected spinal loads; L4-L5 compression increased by 16% (2820 N vs 3350 N) in forward flexion without a hand-load when BMI increased from 31 kg/m2 to 39 kg/m2. Greater waist circumferences (apple-shaped obesity) in comparison with smaller waist circumferences (pear-shaped obesity) increased spinal loads to the extent of gaining 20 kg additional BW and the risk of vertebral fatigue fracture by up to ~7 times. Therefore, both obesity and obesity shapes substantially affected spine biomechanics and should be taken into account in subject-specific modeling of the spine.  Apart from serving in the trunk strength quantification and electromyography (EMG) normalization, maximum voluntary exertions (MVEs) can be used to calibrate and validate MS models. The performance of the current upgraded subject-specific MS model was investigated by comparing estimated muscle activities with reported EMGs during various MVE tasks. Maximum muscle stresses of trunk muscles were also calculated for each subject individually. Estimated maximum muscle stresses varied substantially among subjects and different muscle groups; rectus abdominis and external oblique had the smallest (0.40±0.22 MPa) and largest (0.99±0.29 MPa) maximum muscle stresses, respectively. In sagittal symmetric MVEs (extension and flexion), estimated muscle activities were found in satisfactory agreement with measured reported EMGs while in lateral and axial MVEs, the agreement was rather weak. Females in general had smaller spinal loads. Peak spinal loads were obtained in extension MVE (~6000 N compression at L5-S1) while flexion MVE yielded the smallest spinal loads (~3000 N compression at L5-S1); subjects experienced rather large spinal loads (5500 N in compression and 1700 N in shear) under lateral and axial MVEs. Accurate prediction of maximum muscle stresses and comprehensive evaluation of the performance of a MS model require the consideration of MVE tasks in all directions with the application of both primary and coupled moments to the model. Accurate simulation of the passive ligamentous spine, as one of the integral components of a trunk MS model, is of great importance. Detailed FE models can accurately capture nonlinear and time-dependent responses of the spine; however, due to the significant computational costs of detailed FE models, simplified models (i.e., spherical joints/beams with linear/nonlinear passive properties) are commonly used in the trunk MS models. Therefore, the accuracy and validity of using simplified models and their anterior-posterior positioning in estimating kinematics of the ligamentous spine, muscle forces and spinal loads were investigated. Unlike beam elements, spherical joints overlooked translational degrees of freedom and failed to accurately predict kinematics of the lumbar spine particularly in the cranial-caudal direction. Nonlinear shear deformable beams and spherical joints were found to satisfactorily predict IDPs in comparison with in vivo measurements during various activities. In contrast, using beams or spherical joints with linear passive properties yielded valid results only in small to moderate flexion angles (<40o). Neglecting passive properties of joints (frictionless spherical joints) substantially increased compression and shear spinal loads by 32% and 63%. Shifting a simplified joint posteriorly (by 8 mm) increased spinal loads (compression and shear) by ~20% while an anterior shift (by 2 mm) decreased spinal loads by 10% and 18% in compression and shear directions. Moving simplified joint models posteriorly reduced also passive muscle forces of agonist muscles while increasing their active components. Simplified joint models with nonlinear passive properties should be located in -2 to +4 mm (+: posterior) range from the disc center for accurate predictions of spinal loads and active/passive muscle forces.  Obtaining reasonably accurate results by MS models requires comprehensive data collection (e.g., kinematics, EMG), equipped laboratory, and sufficient training. Alternatively, easy to use regression equations have previously been developed to estimate spinal loads, but they do not take account of personalized anthropometric factors (e.g., BW and BH) based on a physiological approach and often overlook task asymmetry. Thus, in this work, subjects-specific regression equations were developed to predict spinal loads at lower spinal levels (L4-L5 and L5-S1) by using the upgraded KD-FE model, and the Accuracy of the model and regression equations were subsequently evaluated by comparing estimated muscle activities and IDPs with reported measurements. Estimated subject-specific IDPs from regression equations had strong correlation with in vivo measurements during various symmetric and asymmetric tasks (R2=0.82). In symmetric tasks, estimated muscle activities were found in satisfactory agreement with measured EMGs, but in asymmetric tasks, the estimations had moderate (back muscles) to weak (abdominal muscles) agreement with measurements. For workplace evaluation and biomechanical risk assessment of manual material handling tasks, such developed individualized regression equations can be employed to estimate spinal loads during various symmetric and asymmetric lifting activities.  In summary, a KD-FE MS model of the trunk with an upgraded muscle architecture, an additional deformable level (T11-T12) and a novel scaling algorithm was employed to investigate subject-specific spine biomechanics. By using personalized muscle moment arms, muscle cross-sectional areas, distributed gravity loads, spine geometry, nonlinear passive properties of the spine and spine kinematics (sex- and age-specific), the full factorial sensitivity analysis on model inputs (sex, age, BH and BW) showed that BW markedly affected spinal loads while remaining factors played a minor role. Distinct obesity shapes were reconstructed from anthropometric datasets available in the literature, and both obesity and obesity shapes (apple- and pear-shaped) were found to substantially affected spinal loads and the risk of vertebral fatigue fracture. Calculated muscle stresses, calibrated in MVE tasks (extension, flexion, lateral and axial), varied noticeably among subjects and different muscle groups. In flexion and extension MVEs, the subject-specific model predicted muscle activities in close agreement with reported EMGs while in axial and lateral MVEs, the agreement was weak. Simulating passive spinal motion segments, beams and spherical joints with nonlinear properties (located in -2 to +4 mm (+: posterior) range from disc centers), accurately predicted kinematics of the spine, spinal loads and muscle activities. In contrast, joint models with linear properties and/or no translational degrees-of-freedom were noted to deteriorate the accuracy of predictions. Easy to use subject-specific regression equations were developed to predict compression and shear spinal loads (at L4-L5 and L5-S1) in symmetric and asymmetric tasks. The proposed equations satisfactorily estimated IDPs in comparison with in vivo measurements. Proposed regression equations can be used for personalized biomechanical risk assessment of lifting tasks. Estimated muscle activities had moderate (back muscles) to weak (abdominal muscles) agreement with reported EMGs in various symmetric and asymmetric tasks.


identifier: Xing, K. (2019). Volumetric Error-Based Condition and Health Monitoring System for Machine-Tools  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Des défaillances ou détériorations imprévues ou non détectées des machines-outils entraînent des pertes de production et de qualité, d'où la nécessité d'une maintenance prescriptive et normative utilisant la surveillance de l'état des machines-outils. Cette recherche présente la méthodologie et les solutions développées pour surveiller l'état de précision des machines-outils à cinq axes en analysant les erreurs volumétriques de la machine-outil. L'erreur volumétrique est définie comme un vecteur d'erreur cartésien représentant l'écart de la position réelle de l'outil par rapport à sa position attendue par rapport au repère de la pièce et projeté dans le repère de base.  La méthode SAMBA (Scale and Master Ball Artefact) a été utilisée pour mesurer les erreurs volumétriques de la machine-outil expérimentale à cinq axes. Les erreurs volumétriques acquises contenant les états normaux et défectueux de la machine-outil constituent la base de données pour cette recherche. De plus, des pseudo-fautes et les fautes graduelles et soudaines simulées ont également été utilisées. Les caractéristiques du vecteur d'erreurs volumétriques extraites par des mesures de similarité de vecteur sont utilisées comme entrée pour le graphique de contrôle basé sur les moyennes mobiles pondérées exponentiellement, où le changement anormal du vecteur unique d'erreurs volumétriques peut être détecté. Pour surveiller de manière exhaustive l'état de précision de la machine-outil, une matrice de mesures de similarité vectorielle combinée contenant toutes les caractéristiques d'erreurs volumétriques acquises a été proposée et traitée par le graphique de contrôle de la moyenne mobile pondérée exponentiellement. Pour les mêmes défauts, les deux traitements de données ci-dessus peuvent tous détecter automatiquement le temps exact d'apparition du défaut. Sur la base d'une logique de surveillance complète des erreurs volumétriques, une analyse fractale des coordonnées d'erreur volumétrique a également été explorée. Les résultats des tests révèlent qu'il s'agit d'un outil efficace pour représenter la fonctionnalité des erreurs volumétriques. Pour comprendre le processus de changement de l'état de la machine-outil, les erreurs volumétriques historiques acquises ont été traitées par analyse en composantes principales et par K-moyennes. D'une part, les méthodes proposées séparent les états normaux et défectueux de la machine-outil (près de 100%), d'autre part, les machines-outils désignées fournissent les références pour la reconnaissance de l'état d'autre machines-outils lors du traitement de nouvelles données d'erreurs volumétriques. En résumé, le travail de recherche effectué dans cette thèse a contribué à la mise au point d'une solution efficace de surveillance de l'état de la précision des machines-outils à l'aide des erreurs volumétriques des machines-outils, basées sur des méthodes d'extraction de caractéristiques, de reconnaissance des modifications et de classification des états. Le système développé peut reconnaître les points de changement exacts des défauts réels du codeur d'axe C, des pseudo-défauts EXX et EYX. De plus, il atteint une précision proche de 100% dans la classification de l'état défectueux et normal de la machine-outil.  ABSTRACT: Unexpected or undetected machine tool failures or deterioration results in production and quality losses, hence proactive and prescriptive maintenance using machine tool condition monitoring is sought. This research presents the methodology and solutions developed to monitor the accuracy state of five-axis machine tools by analyzing the machine tool volumetric errors which are defined as the Cartesian error vector of the deviation of the actual tool position compared to its expected position relative to the workpiece frame and projected into the foundation frame.  The scale and master ball artefact (SAMBA) method has been used for the measurement of volumetric errors of the experimental five-axis machine tool. The acquired volumetric errors containing machine tool normal and faulty states provide the database for this research. In addition, pseudo-faults and the simulated gradual and sudden faults have also been used. Volumetric error vector features extracted by vector similarity measures are used as the input for the exponential weight moving average control chart where the abnormal change of the single volumetric error vector can be detected. To comprehensively monitor the machine tool accuracy state, a combined vector similarity measure array containing all acquired volumetric errors features has been proposed and processed by the exponential weight moving average control chart. Towards the same faults, the above two data processing can all automatically detect the exact fault occurrence time. Based on the logic of comprehensive monitoring of volumetric errors, fractal analysis of volumetric error coordinates has also been explored. The testing results reveal that it is an effective tool for volumetric errors features representing. To understand the change process of the machine tool state, the acquired historical volumetric errors have been processed by principal component analysis and K-means. For one thing, the proposed methods separate the normal and faulty states of the machine tool (Nearly 100%), for another thing, the designated machine tools provide the references for machine tools state recognition when processing new volumetric errors data.   In summary, this research contributed to the development of an efficient solution for machine tool accuracy state monitoring using machine tools volumetric errors based on feature extraction, change recognition and state classification methods. The developed system can recognize the exact change points of real C-axis encoder faults, pseudo-faults EXX and EYX. In addition, it achieves close to 100% accuracy in machine tool faulty and normal state classification.


identifier: Moradmand Badie, M. (2019). CPU Utilization Improvement of Multiple-Core Processors Through Cache Management and Task Scheduling  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, les architectures multicœurs et multiprocesseurs sont largement utilisées dans les centres de données. Une telle utilisation fournit les performances requises pour diverses tâches, telles que le C-RAN(accès radio par info-nuagique). Le traitement du signal sans fil en bande de base(wireless baseband) pour les normes 4G et 5G désigne un ensemble de tâches qui doivent être exécutées dans un intervalle de temps spécifique. Par exemple, la pile de liaison montante(up-link stack) pour une station de base 4G virtualisée a été décomposée en plus de 1000 tâches exécutables en 5 ms. Avec la 5G, la latence cible dans un scénario de bout en bout avec utilisation à latence très faible(ultra-low latency) est de 1 ms, tandis que la complexité de calcul est d'un à deux ordres de grandeur plus élevée que celle de la 4G. Le défi à surmonter c'est de répondre à ces objectifs en terme de complexité de traitement. Pour ce faire, il est crucial de caractériser la variabilité du temps de traitement par rapport aux caractéristiques du modèle de mémoire afin de garantir un temps de traitement donné dans les grappes d'ordinateurs classiques.En outre, la planification des tâches sur les systèmes multicœurs reste un problème ouvert. Un tel problème doit être analysé afin d'utiliser pleinement la capacité de traitement d'un système multicoeur d'un système multicoeur et d'atteindre une faible latence. Afin de remédier à l'utilisation ineÿcace des cœurs de processeur, un schéma d'ordonnancement des tâches basé sur la mise en file d'attente, qui se focalise sur le calcul parallèle local, est proposé. Dans cette mémoire, on introduit la gestion multi-files pour la planification dynamique des tâches afin de cibler une utilisation complète à 100% des cœurs de CPU locaux pour des tâches d'entrée suÿsantes. Plusieurs simulations sont faites pour vérifier le schéma de planification des tâches proposé. Les résultats rapportés confirment sa viabilité et son efficacité. De plus, l'utilisation de la mémoire cache est l'une des principales sources de variabilité du temps d'exécution. En outre, une gestion ineÿcace de la mémoire cache s'avère probléma-tique dans les systèmes avec WCET. Une approche eÿcace de gestion de la cache doit prendre en compte simultanément la planification des tâches et la gestion de la cache. L'approche optimale de gestion de la cache oblige de manière critique à prendre en compte les priorités associées à toutes les tâches; la connaissance de ces priorités est essentielle pour détecter et éviter les goulots d'étranglement dans le système.  ABSTRACT: Nowadays, modern multiprocessor and multicore architectures are widely used in data centers. Such usage provides the required performance for a variety of tasks, such as the C-RAN(Cloud-Radio-Access-Network). Wireless baseband signal processing for the 4G and 5G standards designates a range of tasks which must be executed in a specific time slot. For instance, the up-link stack of one 4G virtualized-base station was decomposed in more than 1000 tasks executable within 5ms. In 5G, the expected target latency for ultra-low latency use cases is 1ms in an end-to-end scenario; while the computational complexity is expected to be one to two orders of magnitude higher than that of 4G. It remains to be seen whether and how reaching such computational complexity is feasible. It is a crucial factor to characterize processing time variability besides features of memory model to guarantee a given processing time in mainstream computer clusters.Besides, the task scheduling on multicore systems is still an open issue. Such a problem needs to be analyzed in order to fully utilize the processing capacity and to achieve low processing latency. In order to tackle the inefficient utilization of CPU cores, a queueing-based data-driven task scheduling scheme, which focuses on local parallel computing, is proposed in this thesis. This thesis introduces multi-queue management for dynamic task scheduling to target 100% utilization of local CPU cores for sufficient input tasks. Finally, the thesis entails several simulations to verify the proposed task scheduling scheme. The reported results confirm its viability and efficiency. Moreover, cache memory usage is one of the primary sources of execution time variability. Besides, inefficient management of cache memory proves to be problematic in systems with which WCET(Worst-Case-Execution-Time) is of concern. An efficient cache managing approach needs to take both task scheduling and cache management into account simultaneously. Optimal cache-management imposes considering priorities associating with all tasks; the knowledge of such priorities is essential for detecting and avoiding system bottlenecks. Such approach proposes allocating adequate resources to such a critical task to facilitate better management. The work starts with the introduction of a simple, scalable, and configurable test method called an Array of Counters, the purpose of which is to characterize the processing time variations of multicore architectures. The technique helps to find system bottlenecks. Such help is conducive to a more optimized and enhanced cache-management algorithm.


identifier: Guerboukha, H. (2019). Enabling Real-Time Terahertz Imaging With Advanced Optics and Computational Imaging  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La bande des térahertz est une région particulière du spectre électromagnétique comprenant les fréquences entre 0.1 THz à 10 THz, pour des longueurs d'onde respectives de 3 mm à 30 um. Malgré tout l'intérêt que cette région a suscité au cours de la dernière décennie, de grands obstacles demeurent pour une application plus généralisée de la radiation THz dans les applications d'imagerie. Cette thèse aborde le problème du temps d'acquisition d'une image THz. Notre objectif principal sera de développer des technologies et techniques pour permettre l'imagerie THz en temps réel. Nous débutons cette thèse avec une revue de littérature approfondie sur le sujet de l'imagerie THz en temps réel. Cette revue commence par énumérer plusieurs sources et détecteurs THz qui peuvent immédiatement être utilisés en imagerie THz. Nous détaillons par la suite plusieurs modalités d'imagerie développés au cours des dernières années : 1) Imagerie THz en transmission, en réflexion et de conductivité, 2) imagerie THz pulsée, 3) imagerie THz par tomographie computationnelle et 4) imagerie THz en champ proche. Nous discutons par la suite plus en détail à propos de technologies habilitantes pour l'imagerie THz en temps réel. Pour cela, nous couvrons trois différents axes de recherche développés en littérature : 1)Imagerie en temps réel de spectroscopie THz dans le domaine du temps, 2) caméras THz et 3) imagerie en temps réel avec détecteur à pixel unique. Nous présentons ensuite le système d'imagerie que nous avons développé pour les démonstrations expérimentales de cette thèse. Ce système est basé sur la spectroscopie THz en temps réel et permet donc d'obtenir des images hyperspectrales en amplitude et en phase. Il utilise des antennes photoconductrices pour l'émission et la détection de la radiation THz. En outre, le détecteur est fibré, ce qui permet de le déplacer spatialement pour construire des images. Nous couvrons aussi brièvement plusieurs techniques de fabrication avancées que nous avons utilisées : impression 3D par filament, stéréolithographie, machinage CNC, gravure/découpe laser et transfert de métal par toner. Nous portons ensuite notre attention à l'objectif principal de cette thèse à travers trois démonstrations distinctes. Premièrement, nous concevons des composants THz à faibles pertes en utilisant des matériaux poreux. L'absence de détecteurs THz ultra-sensibles implique que les pertes encourues dans un système d'imagerie sont hautement indésirables. En effet, un moyennage temporel est généralement fait pour extraire de faibles signaux THz sévèrement enfouis sous le bruit technique. Ceci a pour impact de diminuer le nombre d'images à la seconde.  ABSTRACT: The terahertz band is a region of the electromagnetic spectrum comprising frequencies between 0.1 THz to 10 THz for respective wavelengths of 3 mm to 30 um. Despite all the interest and potential generated in the past decade for applications of this spectral band, there are still major hurdles impeding a wider use of THz radiation for imaging. This thesis addresses the problem of image acquisition time. Our main objective is to develop technologies and techniques to achieve real-time THz imaging. We start this thesis with a comprehensive review of the scientific literature on the topic of realtime THz imaging. This review begins by listing some off-the-shelf THz sources and detectors that could be readily used in THz imaging. We then detail some key imaging modalities developed in the past years: 1) THz transmission, reflection and conductivity imaging, 2) THz pulsed imaging, 3) THz computed tomography, and 4) THz near-field imaging. We then discuss practical enabling technologies for real-time THz imaging: 1) Real-time THz timedomain spectroscopy imaging, 2) THz cameras, and 3) real-time THz single-pixel imaging. We then present our fiber-coupled THz time-domain spectroscopy imaging setup. This system is used throughout the thesis for experimental demonstrations. We also briefly overview many advanced fabrication techniques that we have used, namely fused deposition modeling,stereolithography, CNC machining, laser cutting/engraving and metal transfer using toner. We then turn to the main objective of this thesis with three distinct demonstrations. First, we design low-loss THz components using porous media. The losses incurred in the imaging system are highly undesirable due to the lack of sensitive THz detectors. Indeed, time averaging is generally performed in order to retrieve THz signals severely buried under noise,which in return reduce the framerate. We propose to use low-refractive index subwavelength inclusions (air holes) in a solid dielectric material to build optical components. We show that these components have smaller losses than their all-solid counterparts with otherwise identical properties. We fabricate a planar porous lens and an orbital angular momentum phase plate, and we use our imaging system to characterize their effects on the THz beam. Second, we demonstrate a spectral encoding technique to significantly reduce the required number of measurements to reconstruct a THz image in a single-pixel detection scheme.


identifier: Rahi, K. (2019). Development of Indicators to Assess Project Resilience: The Case of Information Technology (IT) Projects  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En gestion de projet, la gestion des événements perturbateurs est un défi pour les praticiens et un sujet de recherche intéressant pour les académiciens. Ces événements entraînent de graves écarts par rapport aux objectifs du projet tout au long de son cycle de vie (ex., retards, dépassements de budget, qualité médiocre, portée incomplète, mécontentement de la clientèle, etc.). Les approches pour gérer ces événements, dans la littérature en gestion de projet, consistent à gérer les risques, les vulnérabilités et à faire face aux besoins et requis du client et des parties prenantes dans l'environnement du projet (ex. Le concept de l'agilité). Cependant, malgré l'importance et l'applicabilité de ces approches, elles demeurent souvent inefficaces lorsque des événements imprévus, inconnus ou même considérés pratiquement impossibles, se réalisent. Par conséquent, l'introduction du concept de résilience en gestion de projet devient un sujet de recherche intéressant. Dans ce contexte, la résilience se manifeste par une attention vigilante envers de possibles événements perturbateurs et sur la capacité à s'adapter afin de pouvoir se remettre de tels événements. Cette dissertation par articles vise à faire progresser les connaissances sur le concept émergent de résilience projet et à contribuer à une compréhension plus fine et plus intégrative de la résilience en gestion de projet. En premier lieu, la littérature de gestion de projets est examinée selon quatre concepts; gestion des risques, gestion des vulnérabilités, l'agilité et la résilience des projets. L'objectif est de présenter les objectifs et les limites de chaque concept et d'initier le sujet de recherche principal de cette dissertation. Dans le premier article publié, une définition et un cadre conceptuel de la résilience du projet sont présentés. Plus précisément, la résilience du projet est définie par la capacité du système projet à maintenir une attention vigilante (“awareness” en anglais) de son entourage, et à s'adapter afin de se remettre des événements perturbateurs. Les dimensions de la résilience projet sont: attention vigilante et capacité d'adaptation. En plus, cinq relations entre le concept de résilience projet, les risques connus et inconnus et les pratiques actuelles de gestion des risques sont également abordées.Une fois que la résilience projet est conceptualisée, des indicateurs pour l'évaluer sont développés. La littérature empirique sur la résilience organisationnelle (un concept étroitement lié à la résilience du projet) est passée en revue. Le but est d'identifier les indicateurs utilisés pour évaluer la résilience organisationnelle et pour encourager le développement d'indicateurs de résilience de projet (2e article publié). Des entretiens semi-structurés avec dix gestionnaires de projets, appartenant à de différents domaines, sont conduits, puis dix études de cas ont été explorées et analysées. À partir de ces données empiriques, dix indicateurs sont proposés pour évaluer deux dimensions de la résilience du projet: l'attention vigilante et la capacité d'adaptation (3e article publié). Ces indicateurs ont par la suite été validés dans le domaine des technologies de l'information (TI) avec une étude exploratoire; 167 observations ont été collectées et analysées statistiquement (analyse factorielle exploratoire et confirmatoire). De ces analyses, huit indicateurs sont proposés et validés empiriquement pour évaluer la résilience des projets TI. Une discussion vient clore cette thèse en mettant en évidence les contributions théoriques et pratiques de la recherche. Les implications pour la gestion de projets, et en particulier les projets en technologies de l'information, y sont discutées. Les limites de la recherche et des pistes futures de développement sont proposées. Mots clés : Gestion de projet TI, évaluation de la résilience projet, résilience organisationnelle, indicateurs de résilience projet, attention vigilante, capacité d'adaptation.  ABSTRACT: From a project management perspective dealing with disruptive events is a challenge for practitioners and an interesting research topic for academics. These events lead to severe deviations from a project's objectives during its life-cycle (e.g., delay, budget overruns, low quality, incomplete scope, client dissatisfaction, etc.). Approaches proposed in the project management literature to deal with these events involve managing risks and vulnerabilities and facing clients and stakeholders needs and demands in the project's environment (e.g., the concept of agility). However, despite the importance and applicability of these approaches, they still face many challenges when events that are unforeseen, unknown or even considered impossible to occur. In this context, the concept of resilience in project management is becoming an interesting research topic. A resilience perspective focuses on being aware of possible disruptive events and adapting in order to successfully recover from such events. This dissertation by articles aims to advance knowledge on the emergent concept of project resilience and contribute to a more profound and integrative comprehension of resilience in project management. First, the project management literature on dealing with risks and disruptive events is reviewed from four different concepts: management of risks, management of vulnerabilities, project agility, and resilience. The goal is to present the objectives and limitations of each concept and to introduce this dissertation's main research topic. In the first published article, a definition of and a conceptual framework for project resilience are presented. Specifically, project resilience is defined as the project system's capacity to be aware of its surroundings and to adapt in order to recover from disruptive events. The dimensions of project resilience are awareness and adaptive capacity. In addition, five relationships between project resilience, known and unknown risks, and current practices in risk management are discussed. Once project resilience is conceptualized, indicators to assess it are developed. The empirical literature on organizational resilience (a concept closely related to project resilience) is reviewed.The goal is to identify the indicators employed to evaluate organizational resilience and to encourage the development of project resilience indicators (second published article). Semi-structured interviews with ten senior project managers from different fields were conducted and then ten case studies were explored and analyzed. As a result, inspired by the indicators used to assess organizational resilience, ten indicators are proposed to assess two dimensions of project resilience: awareness and adaptive capacity (third published article). These indicators were validated in the information technology (IT) field with an exploratory study; 167 observations were collected and statistically analyzed (exploratory and confirmatory factor analysis). Consequently, eight indicators are proposed and empirically validated to assess IT project resilience. In the conclusion, the theoretical and practical contributions of this research and of project resilience to project management, especially IT projects, are explained. Then limitations and avenues for future studies are discussed. Keywords: IT project management, assessment of project resilience, organizational resilience, project resilience indicators, awareness, adaptive capacity, IT projects


identifier: Hassani, R. (2019). Méthodes heuristiques de planification et de ré-optimisation en temps réel pour les problèmes d'horaires de personnel  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les problèmes d'horaires de personnel visent à déterminer les horaires de travail les moins coûteux pour couvrir la demande d'une ou de plusieurs tâches à chaque période d'un horizon donné. Ces problèmes font de plus en plus l'objet d'études traitées par la recherche opérationnelle. Cela est dû, d'une part, aux besoins économiques, qui révèlent jour après jour de nouveaux défis, et, d'autre part, à la complexité qui caractérise de tels problèmes. Parmi les grands défis, on retrouve la gestion de l'incertitude en temps réel. En effet, durant l'opération, plusieurs perturbations, difficilement contrôlables, peuvent survenir à tout moment, comme les retards des employés, la variation de la demande, etc. Ces perturbations doivent être traitées intelligemment et très rapidement par la mise à jour des horaires de certains employés. Dans cette thèse, on s'intéresse principalement à cette problématique dans un contexte très peu abordé dans la littérature, à savoir la vente au détail, où les employés peuvent être affectés à une grande variété de quarts de travail selon leurs qualifications et leurs disponibilités. Nous proposons, en premier lieu, une méthode de ré-optimisation en temps réel qui se base principalement sur l'information duale, trouvée lors de l'optimisation initiale, et sur un ensemble de types de décision recommandés par notre partenaire industriel. La méthode détermine, pour chaque type de décision, la meilleure adaptation de l'horaire en estimant un coût ajouté pour chaque adaptation candidate. Les adaptations concernent seulement le jour où la perturbation a eu lieu et visent à palier la perturbation tout en gardant une solution globale quasi-optimale. Nous proposons également une procédure, exploitant une méthode de régression, pour mettre à jour les valeurs duales après la correction de chaque perturbation lorsque plusieurs d'entre elles surviennent durant l'horizon. Les tests menés sur un ensemble contenant 1050 instances de problèmes réels allant jusqu'à 191 employés ont montré l'efficacité de la méthode proposée. Celle-ci arrive à trouver la solution optimale pour plus de 95% de ces instances, et ce, en une seconde en moyenne. En second lieu, nous proposons une méthode de ré-optimisation en temps réel plus générale que la première : elle ne requiert pas l'information duale et ne se restreint pas seulement au jour où la perturbation a eu lieu, mais s'applique également au reste de l'horizon. La méthode cherche des adaptations qui permettent de corriger la perturbation sans trop s'éloigner de l'horaire planifié en termes du nombre de modifications engendrées par ces adaptations. Le coût ajouté dû à ces modifications doit être le moins élevé possible. À l'aide de certaines décisions de base qui permettent de générer tous les horaires possibles, la méthode cherche les bonnes séquences, appelées politiques, qui conduisent à des solutions de bonne qualité, appelées solutions non-dominées, obtenues après une optimisation multi-objectif. La méthode fait appel à un réseau qui schématise une région prometteuse de l'enveloppe convexe des solutions réalisables. La construction du réseau se fait d'une manière dynamique au cours de la résolution en se basant sur quelques résultats théoriques. Les tests menés sur des instances dérivées de données réelles impliquant jusqu'à 95 employés démontrent l'efficacité de l'heuristique. En moins d'une seconde en moyenne, elle peut calculer des solutions Paretooptimales pour plus de 98% des scénarios testés. L'efficacité et la rapidité de cette dernière méthode de ré-optimisation nous a poussé à être plus ambitieux pour l'adapter afin de faire une optimisation globale. Ceci a abouti à la naissance d'une nouvelle approche intégrée, qui génère et affecte les quarts simultanément et qui vise à optimiser un problème d'horaires de personnel. L'approche se base sur la stimulation/ correction itérative d'un ensemble de perturbations bien ciblées selon certaines mesures probabilistes. Ces dernières indiquent la probabilité que la correction de chacune de ces perturbations améliore significativement la solution courante. Deux procédures de groupage sont utilisées afin de générer un ensemble de sous-problèmes qui seront traités parallèlement. Chacun de ces sous-problèmes représente un terrain riche de perturbations visées pour les stimuler, ce qui rend la recherche plus efficace et rapide. Pour chaque sous-problème, nous stimulons une perturbation qui nous mène, généralement, à l'espace irréalisable. Ainsi, nous définissons un voisinage de recherche, sur ce sous-problème, afin de trouver une politique qui nous mène à l'espace réalisable. Nous combinons à chaque itération, de façon optimale, toutes les politiques qui sont compatibles (i.e., leur combinaison produit une solution réalisable) parmi celles trouvées parallèlement dans les sous-problèmes considérés afin de passer à une solution meilleure. L'heuristique proposée a été testée sur des instances réelles du problème impliquant jusqu'à 94 employés et 10 tâches. Notre méthode a alors permis de trouver des solutions de bonne qualité en moins de 2 minutes, en moyenne, dans 97% des cas de test.  ABSTRACT: Personnel scheduling aims at determining the cheapest work schedules to cover the demand for one or more tasks at each period of a given horizon. These problems are increasingly addressed in operations research. This is due, on the one hand, to the economic needs that reveal day by day new challenges, and on the other, the complexity that characterizes such problems. One of the biggest challenges is to manage uncertainty in real time. In fact, during the operation, several disruptions, difficult to control, can occur at any time such as employee delays, demand variation, etc. These disruptions must be handled intelligently and quickly by updating the schedules of certain employees. In this thesis, we are mainly interested in personnel scheduling in a context that is not tackled much in the literature where employees can be assigned to a large variety of shifts depending on their qualifications and availability. Firstly, we propose a real-time re-scheduling method based on the dual information found during the initial optimization and on a set of decision types provided by our industrial partner. This method determines for each type of decision the best adaptation of the schedule by estimating an additional cost for each possible adaptation. The adaptations are intended to cover the disruption, that occurs during the day, and to keep a quasi-optimal solution. We also propose a procedure using a regression method to update the dual values after the correction of each disruption when several of them occur during the horizon. Computational experiments conducted on a set of 1050 instances derived from real-life datasets involving up to 191 employees show the efficiency of the proposed re-scheduling heuristic: it can compute optimal solutions for more than 95% of these instances in less than one second on average. Secondly, we propose a real-time re-scheduling method which is more general than the first one. It does not require the dual information and is not limited to the day when the disruption takes place but covers all the rest of the horizon. The method looks for adaptations that enable to correct the disruption without deviating too much from the planned schedule in terms of the number of modifications caused by these adaptations. The additional cost caused by these changes must be as low as possible. Using some basic decisions that can generate all possible schedules, our method aims to find the right sequences, called policies, that lead to non-dominated solutions, obtained after a multi-objective optimization. The method uses a network that schematizes a promising region of the convex hull of the set of feasible solutions. The network's construction is done dynamically during the solution process based on some theoretical results. Computational experiments conducted on a set of instances derived from real-life datasets involving up to 95 employees showed the usefulness of the fundamental study as well as the efficiency of the proposed heuristic. It can find all the exact solutions that achieve a good compromise cost/modifications, in a search zone set by the employer, in less than one second on average for more than 97% of the scenarios generated. The efficiency and the speed of the last re-scheduling method encouraged us to integrate it into a global optimization algorithm. As a result, a new integrated approach has been developed which generates and assigns shifts simultaneously and optimizes the personnel scheduling problem. The approach is based on the iterative stimulation/correction of a set of well-targeted disruptions according to certain probabilistic measures. These indicate the probability that the correction of each of these disruptions significantly improves the current solution. Two clustering procedures are used to generate a set of subproblems that are processed in parallel. Each of these subproblems represents a rich area of disruptions intended to stimulate them and what makes the search more efficient and faster. For each subproblem, we stimulate a disruption that generally leads us to the infeasible region. So, we define a search neighborhood in order to find a policy that leads to the feasible region. At each iteration we combine all policies that are compatible (i.e. their combination leads to a feasible solution) among those found in parallel by the subproblems. The proposed heuristic has been tested on real instances of the problem involving up to 94 employees and 10 tasks. The method then made it possible to find good quality solutions in less than 2 minutes, on average, in 97% of the test cases.


identifier: Lamara, I. (2019). Stérilisation des systèmes de délivrance de phages à base de polymères biodégradables  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le contexte de la résistance bactérienne aux antibiotiques et de la prise de conscience accrue de l'importance du microbiote humain, on assiste à un regain d'intérêt pour l'utilisation potentielle d'une classe de virus appelée bactériophage qui lyse une gamme spécifique de bactéries et qui est non sujette à la résistance bactérienne. Cependant, vu la stabilité limitée des phages dans le corps humain, plusieurs formulations ont été développées afin de surmonter ce problème. Des phages ont été intégrés dans des systèmes polymériques afin d'assurer leur libération contrôlée au site d'infection.   Néanmoins, pour le traitement des infections bactériennes aux sites chirurgicaux ou blessures, la stérilisation de cette classe de biomatériaux est primordiale. Cependant la stérilisation des systèmes polymériques à base des bactériophages reste un défi à cause de la sensibilité des phages aux méthodes de stérilisation conventionnelles (chaleur, rayonnements et agents chimiques) ainsi que leurs effets négatifs sur les polymères.   C'est pourquoi on a évalué dans ce projet trois méthodes de stérilisation : le dioxyde de carbone supercritique (SC-CO2), les rayons gamma et l'ultraviolet (UV), afin de vérifier la méthode de stérilisation la plus appropriée pour les phages intégrés dans des patchs de PEAU, qui stérilise efficacement les patchs sans altérer l'activité des phages.  Nos résultats ont montré que toutes les méthodes choisies ont bien stérilisé les formulations. Le SC-CO2 s'est avéré la méthode de stérilisation la plus appropriée pour les patchs, car les phages étaient actifs et stables pendant 18 mois de stockage à 4 °C et aucun changement significatif n'a été observé dans la cinétique de relargage des phages intégrés dans les patchs. Tandis que, les patchs stockés à 26 °C étaient instables et une réduction jusqu'à 2.19 log10 a été notée dans le titre des phages avec un changement dans le profil de libération, en raison de la forte humidité relative et la température élevée pendant le stockage.  Cependant les rayons gamma et l'ultraviolet étaient compromettants pour les phages et ils ont causé des réductions significatives dans le titre des phages, ce qui est non acceptable en termes de dosage des formulations des phages.  ABSTRACT: In the context of bacterial resistance to antibiotics and increased awareness of the importance of the human microbiota, there is renewed interest in the potential use of a class of viruses called bacteriophages that lyse a specific range of bacteria and are not susceptible to bacterial resistance. However, given the limited stability of phages in the human body, several formulations have been developed to overcome this problem. Phages have been integrated into polymeric systems to ensure their sustained release into the infection site.  Nevertheless, for the treatment of bacterial infections at surgical sites or wounds, sterilization of this class of biomaterials is essential. However, the sterilization of polymeric systems based on bacteriophages remains a challenge due to the sensitivity of phages to conventional sterilization methods (heat, radiation and chemical agents) and their negative effects on polymers.   For this reason, three sterilization methods were evaluated in this project: supercritical carbon dioxide (SC-CO2), gamma rays and ultraviolet light (UV), in order to verify the most appropriate sterilization method for patches loaded with phages, which effectively sterilizes the patches without modifying the activity of the phages.  Our results showed that all the methods used in our study have sterilized the formulations. SC-CO2 was the most appropriate sterilization method for patches, as the phages were active and stable for 18 months of storage at 4°C and no significant changes were obtained in the release kinetics of the phages embedded in the patches. Although patches stored at 26°C were unstable and a reduction of up to 2.19 log10 was noted in the phage titer with a change in the release profile due to high relative humidity and temperature during storage.  However, gamma and ultraviolet rays have been compromising for phages and have caused significant reductions in phage titer, which is not acceptable in terms of the dosage of phage formulations.


identifier: Rezazadeh, M. (2019). Performance Analysis of Complex Multi-Thread Applications Through Critical Path Analysis  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: ABSTRACT: Performance is a critical subject for huge and complex multi-thread applications. Many factors such as resource contention, inadequate synchronization algorithms, slow disk operations, etc. can affect performance. Many developers are not aware of the existence of the root cause of unexpected latencies, due to the large codebase of applications and the multiple levels of abstraction between the application code and hardware. Tracing is a technique which records events occurring in the system. Many performance issues can be diagnosed using the information gathered by an execution trace. Because of the negligible overhead of popular tracers, we can deploy them on production systems to capture bugs that occur infrequently. We can efficiently navigate in the large number of events, contained in execution traces, using specialized tools. However, even with these tools, it is difficult to identify the real root cause of performance bugs, without a deep knowledge of the analyzed system. In complex applications like the Chromium browser, which is our focus in this research project, being able to collect precise unified information from several layers of the application/system is the first challenge. The objective of this research project is to propose a solution which can facilitate the diagnosis of performance issues using the critical path analysis of executions. After explaining our tracing method for collecting data, from the application and the operating system kernel simultaneously, we compile the tracing data collected from several layers of the system into a unified model and use it to perform kernel-level control flow analysis for user-level browser actions. This serves to detect latency issues and identify their main causes. We show the effectiveness of the proposed method by detecting three Chromium performance bugs and finding their root-causes. Although our use-cases are based on the chromium browser, the proposed method and lessons learned are directly applicable to other complex multi-thread applications. In addition, we propose our method on critical flow extraction of browser user actions, which is used directly in latency problem detection and analysis. Using critical path analysis, we can identify the bottlenecks of executions which directly affect the total execution time. Hence, these kinds of problems are worth analysing.  ABSTRACT: Performance is a critical subject for huge and complex multi-thread applications. Many factors such as resource contention, inadequate synchronization algorithms, slow disk operations, etc. can affect performance. Many developers are not aware of the existence of the root cause of unexpected latencies, due to the large codebase of applications and the multiple levels of abstraction between the application code and hardware. Tracing is a technique which records events occurring in the system. Many performance issues can be diagnosed using the information gathered by an execution trace. Because of the negligible overhead of popular tracers, we can deploy them on production systems to capture bugs that occur infrequently. We can efficiently navigate in the large number of events, contained in execution traces, using specialized tools. However, even with these tools, it is difficult to identify the real root cause of performance bugs, without a deep knowledge of the analyzed system. In complex applications like the Chromium browser, which is our focus in this research project, being able to collect precise unified information from several layers of the application/system is the first challenge. The objective of this research project is to propose a solution which can facilitate the diagnosis of performance issues using the critical path analysis of executions. After explaining our tracing method for collecting data, from the application and the operating system kernel simultaneously, we compile the tracing data collected from several layers of the system into a unified model and use it to perform kernel-level control flow analysis for user-level browser actions. This serves to detect latency issues and identify their main causes. We show the effectiveness of the proposed method by detecting three Chromium performance bugs and finding their root-causes. Although our use-cases are based on the chromium browser, the proposed method and lessons learned are directly applicable to other complex multi-thread applications. In addition, we propose our method on critical flow extraction of browser user actions, which is used directly in latency problem detection and analysis. Using critical path analysis, we can identify the bottlenecks of executions which directly affect the total execution time. Hence, these kinds of problems are worth analysing.