identifier: Vuilloz, T. (2022). Modélisation numérique des phénomènes de ségrégation et de stratification dans les haldes à stériles  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les activités minières nécessitent l'excavation de quantités de roches stériles pour accéder au minerai. De tels rejets miniers sans valeur économique sont généralement stockés en surface pour permettre la poursuite des opérations. Les stériles miniers sont ainsi entreposés par la répétition de déchargements d'importants volumes de matériaux sur des sites choisis de l'exploitation pour construire des haldes. Le déversement des roches stériles constitue une sollicitation propice au développement de phénomènes de ségrégation parmi le matériau qui favorise l'accumulation des particules de fractions grossières, ou blocs, dans les régions inférieures des empilements. Les observations des haldes à stériles rapportent régulièrement l'exposition de motifs granulaires particuliers, ségrégués ou stratifiés, qui sont principalement attribués à l'existence de différences de propriétés physiques entre les éléments des échantillons de roches stériles déposés. Le développement de phénomènes de ségrégation et de stratification au sein des haldes à stériles représente en effet un risque, car la distribution hétérogène des roches stériles dans la structure interne de la construction pourrait se traduire par des altérations des propriétés géotechniques et hydrogéologiques, en différentes régions de l'empilement, capables d'initier des dangers d'instabilité mécanique et hydrogéologique. Le travail présenté vise à développer des modélisations numériques capables de reproduire des mécanismes de ségrégation et de stratification en simulant la construction d'empilements granulaires. L'étude a débuté avec la reproduction d'essais expérimentaux capables de mettre en évidence le développement de phénomènes de granoclassement au travers de la déposition de matériaux granulaires dans des cellules étroites. La comparaison qualitative des configurations d'empilements obtenues avec de précédents travaux semblables de la littérature a démontré la cohérence des tests réalisés. Les résultats des dépositions ont été quantifiés avec les mesures d'angles de repos et de longueurs d'onde de schémas de stratification observés. L'élaboration de modèles numériques a ensuite été décidée pour poursuivre et approfondir les essais physiques présentés. Les modèles numériques de l'étude ont été réalisés grâce au logiciel open-source LMGC90, développé à l'université de Montpellier en France. LMGC90 est une alternative à la modélisation de systèmes dynamiques de complexités variables qui a prouvé s'adapter à l'étude de systèmes granulaires semblables aux échantillons de particules considérés pour ce travail. La résolution des simulations imaginées pour répondre à la question de recherche s'est faite avec l'emploi de la méthode des éléments discrets (MED) implémentant la dynamique des contacts (DC). L'interprétation et la mise en forme des résultats obtenus ont nécessité le recours à divers langages informatiques tels que Python et Fortran. L'étude numérique a considéré deux géométries de modélisations : à savoir, respectivement, une géométrie 2D et une géométrie 3D. LMGC90 a permis de créer trois mélanges granulaires dont les propriétés physiques ont été déterminées pour générer des échantillons de grains pré- sentant des disparités de tailles et de formes. Le modèle numérique mis au point simule un scénario de déposition des échantillons pour des paramètres variables : régime d'écoulement, hauteur d'injection, dimensions des cellules d'essai (environnement de déposition). Les schémas des empilements ainsi reproduits ont été étudiés qualitativement et quantitativement au travers du calcul de plusieurs indicateurs. Des maillages ont permis de dresser une re- présentation de la distribution des aspects de tailles ou de formes des grains au travers des dépositions. La cinématique des mouvements granulaires au cours de la construction des empilements a enfin été examinée. L'influence des propriétés des mélanges granulaires et des paramètres de déposition pour le développement de mécanismes de granoclassement a été interprétée sur la base des résultats de simulations. Des travaux complémentaires ont aussi visé à étendre l'étude du phénomène de ségrégation dans les milieux granulaires grâce au développement d'un second modèle numérique à part entière. Le nouveau modèle simule le cisaillement d'un volume granulaire élémentaire constitué à partir des échantillons déjà construits pour la précédente partie du travail. Les conditions de cisaillement de chaque simulation ont été définies par un calcul du nombre inertiel associé à chaque essai. L'évolution du phénomène de ségrégation avec les valeurs prises par le nombre inertiel et les pressions de surcharge appliquées au cours du cisaillement a été consécutivement étudiée. L'étude numérique par MED des phénomènes de ségrégation et de stratification souligne la pertinence des modèles en trois dimensions (3D) pour reproduire les mécanismes de granoclassement des mélanges granulaires au cours de dépositions. Les simulations achevées présentent des schémas de ségrégation. Le résultat est observé avec consistance malgré les variations des paramètres des dépositiond dans le cadre des scénarios étudiés. Le contrôle rigoureux des conditions de déposition semble exigé pour reproduire les mécanismes à l'origine de schémas stratifiés dans les haldes. La disparité de formes dans les échantillons bidisperses s'avère un facteur catalytique pour l'observation de phénomènes de stratification. Les simulations de cisaillement témoignent de l'évolution de la cinématique de ségrégation dans les mélanges bidisperses en fonction du nombre d'inertie imposé. La localisation du cisaillement et des mécanismes de ségrégation est montrée pour des conditions de pression particulières. Les résultats de l'étude entendent servir de base à la résolution de défis entourant les incertitudes de prédiction du développement de phénomènes de granoclassement lors des dépositions de roches stériles en surface. Les exemples de modélisations et les outils d'interprétation présentés au terme de ce travail composent un ensemble de solutions capables de caractériser les schémas de granoclassement des haldes à stériles et leur intensité. Les travaux qui décideraient de s'inscrire dans la suite d'un tel projet pourraient envisager la création d'outils logiciels pour prédire, et décrire, avec fiabilité le développement des phénomènes de ségrégation et de stratification dans les haldes à stériles, dont la mise à disposition représenterait une avancée dans la résolution des défis actuels de l'industrie minière.  ABSTRACT: Astract Mining activities typically need excavation works to access the ore. Those operations produce large quantities of waste rock which does not have any major economic value. Such material is generally stored at the surface with repeated granular dumps building waste rock piles. Waste rock dumping is an operation known to cause the development of segregation phenomena among the material which favors the concentration of coarser fraction particles, or blocks, at slopes toe. Eventually, waste rock pilesexpose particular granular patterns, segregated or stratified, attributed to waste rock physical properties disparities between each particle. The development of segregation and stratification phenomena in waste rock piles represents indeed a risk, since grains heterogeneous distributions within the dumped structure might alter its geotechnical and hydrogeological properties, depending on piles areas, therefore leading to mechanical and hydrogeological sources of instabilities. This work aims to develop numerical models able to reproduce segregation and stratification mechanisms by simulating granular heaps disposal. The study has begun by reproducing experimental trials able to demonstrate grading phenomena development through granular material pouring in quasi-2D cells. Qualitative comparison of obtained particles heaps configurations with similar former published works has demonstrated tests consistency. Results has been quantified by measuring repose angles and stratification patterns wavelengths. Developing numerical models to further investigate granular material disposal has been decided. Numerical models have been created thanks to the open-source software LMGC90, developed at the university of Montpellier in France. LMGC90 is an alternative for simple or complex dynamic systems modelling which has proven itself capable of solving problems involving granular mixtures similar to those considered within the scope of this study. Simulations have been performed by means of a discrete-element method (DEM) known as contact dynamics (CD). Results interpretation and formatting requested the use of various programming languages such as Python and Fortran. The numerical study considered 2D and 3D modelling geometries.LMGC90 allowed to create granular mixtures whose physical properties have been determined to generate samples with grain size and shape dispersities. The main numerical model simulates a dumping scenario and varying pouring parameters: flow regimes, injection height, cell's dimensions (disposal environment). Waste rock piles thus reproduced expose patterns which have been investigated qualitatively and quantitatively through multiple indices. Grains aspect distribution in terms of sizes or shapes have been drawn within each deposit. Granular flows kinematics during piles construction were also examined. Granular mixtures properties and dumping parameters influence on the development of grading phenomena have been discussed according to simulations results. Complementary works have also widened the scope of the study on segregation phenomena in granular media thanks to the development of a second numerical model. This new set of simulations models an elementary granular volume under simples hearing using the same samples previously built. Shearing parameters have been defined with the computation of an associated inertial number for each simulation. The evolution of segregation with various inertial number values and pressures applied during shearing was studied. Segregation and stratification phenomena numerical DEM study notes three dimensional (3D) models to be relevant designs to reproduce granular mixtures grading mechanisms in discharge operations. Completed simulations present segregation patterns. Such result is observed with consistency despite deposition parameters variations in each scenario. The close control on pouring settings seems necessary in order to reproduce mechanisms leading to stratified patterns in rock piles. Shape dispersity in bidisperse samples appears to be a catalyst for stratification. Shearing simulations show segregation kinematics evolution in bidisperse samples as a function of the imposed inertial number. Shearing and segregation localizations are shown for specific pressure conditions. Study's results plan to serve as a basis for the resolution of challenges addressing grading phenomena prediction in waste rock disposal operations. Various model examples and interpretation methods presented constitute a range of solutions able to characterize grains ordering patterns in waste rock piles and their intensity. Future works may consider to create reliable numerical warning tools for the prediction, and description, of segregation and stratification phenomena in waste rock dumps.


identifier: Pelzmann, T. (2022). Composite Aircraft Engine Fire Walls : a Small-Scale Experimental Testbed to study Thermomechanical Degradation under Fire  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse traite du comportement de dégradation des matériaux composites époxy renforcés de fibres de carbone exposés à une flamme. Ces composants légers sont utilisés comme des revêtements acoustiques pare-feu ou des nacelles dans les moteurs d'avion turbofan. Ils forment les limites de ce qu'on appelle les zones de feu, à l'interface entre le flux d'air primaire ou secondaire et les sections accessoires. En cas d'incendie indésirable, ces composants doivent agir contre la combustion et empêcher la propagation des flammes, laissant ainsi à l'équipage suffisamment de temps pour détecter le problème et poser l'avion en toute sécurité. Dans le cadre du vaste processus de certification, ces composants doivent subir des essais de résistance au feu pour démontrer qu'ils peuvent résister à une attaque de flamme pendant une durée prescrite tout en conservant leurs propriétés mécaniques. Les normes de certification fournissent des lignes directrices claires pour la mise en place et la procédure des essais, mais les résultats obtenus à l'aide des installations conventionnelles manquent d'une information essentielle : ils ne fournissent pas une mesure des propriétés matérielles des composants testés et de leur évolution dans le temps, mais seulement un simple verdict de réussite/échec. Cette lacune des tests de certification actuels motive le développement d'installations d'essai à petite échelle, comme celle présentée ici, recréant les conditions prescrites dans les normes de certification, mais à un coût moindre et dans des environnements où la dégradation des matériaux peut être évaluée en détail. Les résultats recueillis lors de ces expériences sont destinés à soutenir le développement de modèles numériques et à guider les choix de nouveaux systèmes de matériaux adaptés aux applications aérospatiales à haute température. Un état de l'art détaillé des essais de résistance au feu est d'abord présenté : normes applicables, conditions d'essai et équipement à grande échelle. Un essai de résistance au feu est défini par trois caractéristiques principales : le type de source de chaleur et son flux thermique nominal, l'orientation et la taille de l'éprouvette et les critères de défaillance évalués. Dans le cas des essais au feu, un spécimen monté verticalement est exposé à une flamme calibrée provenant d'un brûleur à mazout et différents critères de défaillance, tels que la combustion continue de l'échantillon ou la pénétration du feu, sont évalués. Bien que le montage d'essai à grande échelle soit commenté à plusieurs reprises dans la thèse, l'objectif principal est l'étude de l'interaction flamme-échantillon à échelle réduite. L'étude de cette interaction exige d'abord le développement d'une infrastructure scientifique capable de recréer des conditions similaires à celles de la certification dans un environnement bien contrôlé et ensuite la mise en oeuvre d'outils de diagnostic appropriés pour évaluer les paramètres qui sont essentiels pour décrire la dégradation thermique des matériaux. La thèse contribue à ces deux sujets, par le développement d'une infrastructure et de méthodes ainsi que par une étude de cas sur la résistance au feu des composites en fibre de carbone. Les méthodes expérimentales présentées comprennent la conception et la mise en oeuvre d'une nouvelle installation à petite échelle. Point de vue novateur dans les essais au feu à l'échelle du banc, cette installation comprend un brûleur au kérosène qui peut atteindre les valeurs de flux thermique et de température de flamme exigées par les normes de certification, mais à une puissance de brûleur considérablement réduite. En outre, des torches à gaz largement utilisées dans les essais scientifiques ont été implementées pour recréer les expériences de pointe de la littérature. Tous les brûleurs ont été calibrés pour atteindre la densité du flux thermique et les températures de flamme spécifiées dans les normes de certification sur une gamme de conditions de fonctionnement, permettant l'étude de l'effet du type de combustible et du rapport d'équivalence de flamme. Les résultats obtenus sont comparés à travers différentes échelles de test pour assurer la cohérence. La thèse se penche sur les méthodes expérimentales (thermographie infrarouge, jauges à couche mince et calorimétrie) et les défis associés pour mesurer la densité du flux thermique et la température de la flamme ou l'émissivité et les températures de l'échantillon. L'une des principales sources d'erreur lors de la mesure de la température de surface d'un matériau se dégradant rapidement à l'aide de la thermographie infrarouge conventionnelle est la variation de l'émissivité. Pour surmonter cette difficulté, nous proposons une technique basée sur la pyrométrie bicolore qui ne nécessite pas la connaissance a priori de l'émissivité de l'échantillon. La thèse fournit une introduction au sujet et discute en détail le modèle de transfert radiatif et la sélection du matériel nécessaire pour réduire les contributions d'erreur globale. Au lieu de mesurer le signal sur une large gamme spectrale, le rapport des signaux acquis à travers deux filtres passe-bande étroits est utilisé sous l'hypothèse principale que la scène est restée inchangée. Cela nécessite toutefois que la fréquence d'acquisition de la caméra et la sélection des filtres optiques soient adaptées à l'expérience. Nous proposons également une méthodologie de post-traitement et une série d'expériences de calibration. Une étude comparative avec différents composites et métaux montre que notre approche réduit significativement l'erreur de mesure. Finalement, l'effet de la chimie de la flamme sur le comportement de dégradation des spécimens de fibre de carbone est étudié en les exposant à des flammes de kérosène et de gaz. Certains résultats ont confirmé la littérature déjà disponible, mais d'autres ont été mis en lumière par les recherches rapportées ici. Il est par exemple connu que les tests utilisant une flamme de gaz propane conduisent en général à une masse résiduelle ou une résistance à la traction résiduelle plus élevée après l'exposition au feu. Cependant, les torches à gaz sont un outil essentiel pour la communauté scientifique dans les expériences de combustion, et nous démontrons qu'une flamme de gaz peut être adaptée pour induire un dommage thermique similaire à celui d'une flamme de kérosène calibrée. La principale contribution de ce travail est donc son approche globale de la mise à l'échelle des essais au feu tout en fournissant une infrastructure scientifique pouvant être utilisée pour des études plus fondamentales de la combustion à l'avenir.  ABSTRACT: This thesis deals with the material degradation behaviour of carbon-fibre reinforced epoxy composite materials exposed to a flame. These lightweight components are considered as firewall acoustic liners or fan cases in turbofan aircraft engines. They form the boundaries of so-called fire zones, being the interface between primary or secondary air flow and accessory sections. In the case of an unwanted fire, the components shall act as a firewall and prevent flame propagation, thus providing the crew with enough time to detect the problem and safely land the aircraft. As part of the extensive certification process, these components must undergo fire resistance testing to demonstrate that they can withstand a flame attack for a prescribed time while maintaining their mechanical properties. Certification standards provide clear guidelines for the testing set-up and procedure, but the results obtained using conventional facilities lack a critical information: they do not provide a measure of the material properties of the components tested and their evolution over time, but rather only a simple pass/fail verdict. This shortcoming of the current certification tests motivates the development of small-scale testing facilities, such as the one presented here, recreating the conditions prescribed in the certification standards but at a lower cost and in settings where the material degradation can be assessed in detail. The results gathered in these experiments are intended to support numerical model development and guide choices for new material systems suitable for high temperature aerospace applications. A detailed state-of-the art in fire resistance testing is first provided: applicable standards, test conditions and large-scale equipment. A fire test is defined by three main characteristics: the type of heat source and its nominal heat flux, the orientation and size of the specimen and the failure criteria assessed. In the case of firewall testing, a vertically mounted specimen is exposed to a calibrated flame from an oil burner and different failure criteria, as for instance continuous burning of the sample or fire penetration, are assessed. Although the large-scale test setup is commented in the thesis on several occasions, the main objective is on the study of the flame-sample interaction at reduced scale. The study of this interaction demands at first the development of scientific infrastructure capable of recreating certification-like conditions in a well-controlled environment and secondly the implementation of suitable diagnostic tools to assess parameters which are key to describe the material thermal degradation. The thesis contributes to both topics, by the development of infrastructure and methods as well as through a case study on the fire resistance of carbon fibre composites. The experimental methods presented includes the design and implementation of a novel smallscale facility that allows to test specimen at the coupon level. A novel point of view in bench-scale fire testing, this setup features a kerosene burner that can achieve the desired heat flux and flame temperature values demanded by the certification standards, but at significantly reduced burner power. In addition, gas torches used extensively in scientific bench-scale testing have implemented as a reference and to recreate state-of-the art experiments from literature. All burners have been calibrated to achieve the heat flux density and flame temperatures specified in the certification standards over a range of operating conditions, allowing the investigation of the effect of fuel type and flame equivalence ratio. The calibration methods to achieve the nominal values that define a standard flame are discussed in detail. The results obtained are compared across different test scales to ensure consistency. The thesis delves into the experimental methods (infrared thermography, thin-film gauges and calorimetry) and associated challenges to measure heat flux density and temperature of the flame or emissivity and temperatures of the sample. One of the main sources of error when measuring the surface temperature of rapidly degrading material using conventional infrared thermography is the change in emissivity. To overcome this difficulty, we propose a technique based on two-colour pyrometry which does not necessitate the a priori knowledge of the specimen emissivity. The thesis provides an introduction in the topic and discusses in detail the radiative transfer model and hardware selection necessary to reduce the overall error contributions. Instead of measuring the signal over a wide spectral range, the ratio of the signals acquired through two narrow band-pass filters is used under the main assumption that the scene remained unchanged. This requires however, that the acquisition frequency of the camera and optical filter selection is tailored to the experiment. We also propose a post-processing methodology and a set of calibration experiments using a hightemperature black body. A comparative study with different composites and metals shows that the post-processing significantly reduces the measurement error. Finally, the effect of flame chemistry on the degradation behaviour of carbon fibre specimens is investigated by exposing them to kerosene and gas flames. Some of the findings confirmed already available literature, but others come to light as a result of the research reported here. It is for instance known that tests using a propane gas flame lead in general to higher residual mass or residual tensile strength following fire exposure. However, gas torches are an essential tool for the scientific fire community, and we demonstrate that a gas flame can be tailored to induce a thermal damage similar to that of a calibrated kerosene flame. The major contribution from this work is thus its comprehensive approach towards scaling fire testing while providing scientific infrastructure that can used for more fundamental combustion studies in the future.


identifier: Nicolas, J. (2022). Ingénierie de contrainte et stabilité des hétérostructures épitaxiales de Ge1-xSnx  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les alliages des éléments du groupe IV du tableau périodique ont connu un fort regain d'intérêt dans le contexte de la croissance exponentielle du volume de données par les systèmes d'information et de communications. En effet, les alliages de SiGeSn incorporant plus de 9 at.% de Sn possèdent une bande d'énergie directe qui faisait défaut aux semiconducteurs Si and Ge – les matériaux de base dans les technologies d'information. Cette nouvelle classe de matériaux pourrait se révéler être un élément clé de la cointégration de la photonique et de l'électronique sur une même plateforme de Si ainsi que du développement de photodétecteurs capables de servir les technologies de la communication optique et de l'imagerie infrarouge à bas coût. Cependant, les couches épitaxiales des alliages du groupe IV déposées sur Si et possédant une concentration de Sn élevée sont soumise à une importante contrainte mécanique résultant du fort désaccord de maille et sont sujets à la séparation de phase engendrée par la supersaturation en Sn, au-delà de la limite de miscibilité de 1 at.% dans le Ge pur. Cette thèse porte sur l'investigation des mécanismes responsables de la séparation de phase des couches de GeSn lors de la croissance épitaxiale, ainsi que des facteurs qui influencent la stabilité du matériau et la dynamique de la séparation de phase. De plus, nous évaluons les propriétés microstructurales des empilements de couches de GeSn et leur potentiel pour l'ingénierie de contraintes. Les couches épitaxiales de GeSn fabriquées par CVD sont analysés par microscopie électronique à transmission et par sonde atomique tomographique pour étudier la structure et la composition chimique des couches de GeSn. Il est révélé que les dislocations jouent un rôle dans l'initiation de la ségrégation du Sn et de sa migration accélérée vers la surface par diffusion via le cœur des dislocations. Ce phénomène rend la séparation de phase possible et relativement rapide à des températures aussi basses que celles utilisées lors de la croissance du GeSn (400 C). De plus, l'apparition de la séparation de phase à la surface pendant un recuit thermique est étudiée en temps réel à l'aide de la microscopie de photoémission des électrons. Il est confirmé que la séparation de phase dans les couches dont la contrainte est relaxée via la nucléation d'un réseau dense de dislocations a lieu à une température plus basse que les couches peu relaxées. La stabilité est également réduite lorsque la concentration de Sn dans les alliages augmente. La microstructure des empilements de couches épaisses de GeSn est étudiée par microscopie électronique à transmission et par diffraction des rayons X.  ABSTRACT: Alloys based on group IV elements of t have been attracting a great deal of interest to address both the staggering growth in information and telecommunications systems and the need for monolithic infrared detectors for Si-integrated sensing and imaging technologies. Indeed, unlike SiGe alloys, SiGeSn alloys incorporating more than 9 at.% of Sn have a direct energy band gap. This new class of materials could prove to be a key element in the cointegration of photonics and electronics on a single Si platform as well as in the development of scalable and cost-effective infrared photodetectors and imagers. However, the epitaxial layers of group IV alloys on Si incorporating a high Sn concentration show a high level of mechanical strain resulting from the large lattice mismatch as well as phase separation caused by the Sn supersaturation, when exceeding the miscibility limit of 1 at.% of Sn in pure Ge. This work investigates the mechanisms responsible for phase separation in GeSn layers during the epitaxial growth, as well as the factors shaping the stability and dynamics of phase separation. Furthermore, we evaluate the microstructural properties of GeSn layers stackings and their potential for strain engineering toward innovative low-dimensional systems. CVD-grown GeSn epitaxial layers were studies using transmission electron microscopy and atom probe tomography to investigate the structure and chemistry of the GeSn layers. It was found that the dislocations play a role to trigger Sn segregation and its accelerated migration toward the surface by diffusion via the dislocations' core. This phenomenon makes phase separation possible and quite fast at temperatures as low as the ones used for the growth (400 C). In addition, the onset of phase separation observed at the surface during post-growth thermal annealing was investigated in real time using photoemission electron microscopy. It is confirmed that phase separation in layers whose strain has been relaxed via the nucleation of a dense network of dislocations takes place at a lower temperature compared to highly strained samples. The stability is also reduced as the concentration of Sn in the alloys increases. The microstructure of thick strain-engineered GeSn layers is investigated by transmission electron microscopy and X-ray diffraction. The experimental data treatment is carried out using pre-existing models adapted to the specificities of GeSn epitaxial layers. The layers are found to be composed of crystallites measuring between 300 and 900 nm, rotated by an angle between 0.04° and 0.1° in-plane and out-of-plane relative to the substrate. These buffer layers enabled the fabrication of heterostructures comprising Ge quantum wells exhibiting high tensile strains up to 1.65%.


identifier: Calistru, D. (2022). Utilisation d'une hybridation de la recherche opérationnelle et de l'apprentissage automatique pour injecter de l'émotion dans un agent conversationnel  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'émergence d'agents conversationnels occupe une place de plus en plus importante dans notre quotidien. En passant par le soutien technique en ligne automatisé, l'incitation à la vente sur les réseaux sociaux, le clavardage général ou même un certain besoin d'avoir un compagnon d'assistance personnalisée auprès de nous en tout temps, nous nous exposons de plus en plus à une forme ou une autre d'agents conversationnels intelligents. Mais comment s'assurer que ces agents répondent à nos attentes émotionnelles et que les répliques générées soient contrôlées ? Dans le cadre de ce projet, nous tentons de répondre à cette question en présentant une manière nouvelle et innovante de combiner la recherche opérationnelle et l'apprentissage machine pour optimiser et contrôler la manière dont un agent conversationnel transmet de l'émotion. Nous avons créé un système, appelé Philia, capable d'être intégré à n'importe quel agent conversationnel afin d'en améliorer les répliques en y injectant de l'émotion. Le système que nous proposons est une première implémentation d'une composition complexe de plusieurs éléments : — Une base de données qui collecte l'impact émotionnel des mots pour une émotion cible (la joie), mais qui peut être éventuellement étendue à d'autres émotions ; — Une composante en NLP/NLU (Natural Language Processing/Natural Language Understanding) qui permet de faire des analyses émotionnelle et sentimentale de ces répliques et de mettre la base de données à jour ; — Une composante qui recherche automatiquement sur internet des synonymes et antonymes et met à jour un lexicon ; — Une famille de modèles en nombres entiers qui permettent d'optimiser l'injection d'émotion ; — Deux boucles rétroactives — une automatique et l'autre impliquant un usager — qui permettent de diriger l'apprentissage. L'optimisation de l'injection d'émotion est effectuée en remplaçant certains mots de la ré-plique originale de l'agent conversationnel par des mots qui élicitent l'émotion cible de manière plus prononcée. Les premiers résultats obtenus démontrent la pertinence de notre approche.  ABSTRACT: Chatbots are occupying more and more space in our daily lives. Beginning with technical support chatbots, chatbots that are trying to sell merchandise through social media, general conversation chatbots or even our own little assistants following us everywhere through our phones, we expose ourselves to one form or another of these intelligent interactive bots. But how can we ensure that these chatbots are on par with our emotional expectations and that the replies they generate are not getting out of control? In this project, we attempt to answer this question by presenting a new and innovative way of combining operations research and machine learning to optimize and control the way a conversational agent conveys emotion. We have created a system, called Philia, that can be integrated into any conversational agent to enhance its responses by injecting emotion. The system we propose is a first implementation of a complex composition of several elements: — A database that collects the emotional impact of words for a target emotion (joy) but which can be extended to other emotions; — A NLP/NLU (Natural Language Processing/Natural Language Unerstanding) component that allows for emotional and sentimental analysis of the agent's responses and update of the database; — A component that automatically searches the internet for synonyms and antonyms and updates a lexicon; — A family of mixed integer models to optimize the injection of emotion; — Two feedback loops - one automatic and one involving a user - that control the learning process. The optimization of the emotion injection is performed by replacing some words of the original responses of the conversational agent by words that elicit the target emotion in a more pronounced way. The first results obtained demonstrate the relevance of our approach.


identifier: Gagnon, M. (2022). Development of a Parallel 3D Solid-Solid Overset RANS Method  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce présent mémoire présente les avancées récentes apportées à la technologie overset du laboratoire de recherche du professeur Éric Laurendeau à Polytechnique Montréal. L'approche overset est vastement utilisée dans l'industrie aérospatiale pour supporter la résolution de simulations hautement complexes en mécanique des fluides numérique. La méthode présentée dans ce mémoire assemble des maillages individuels contenant différentes géométries ou parties de géométries. On peut donc représenter une géométrie complexe par le biais de différents sous-maillages conçus pour les requis locaux de discrétisation. En référence à la mythologie grecque, la méthode est parfois appelée chimère. La flexibilité que procure cette méthode minimise les coûts et risques associés à la génération de maillages. Un préprocesseur est typiquement utilisé pour assembler les différents maillages utilisés dans une simulation. Une connectivité est définie pour permettre aux maillages de communiquer entre eux à chaque itération dans le solveur Computational fluid dynamics (CFD). Ce préprocesseur permet de facilement ajouter, retirer ou modifier une aile horizontale lors de la simulation sur un avion complet par exemple. Dans le cadre de cette maitrise, un préprocesseur overset tridimensionnel est développé. La technologie est intégrée au logiciel de mécanique des fluides numérique tridimensionnel CHApel Multi-Physics Simulation (CHAMPS) et vise à s'attaquer à des problèmes industriels d'actualité. L'approche chimère est typiquement composée d'une étape de coupure de trou qui permet l'identification des cellules hors du domaine de calcul et d'une étape de création de la connectivité entre les sous-maillages. Une première implémentation de la technologie dans le laboratoire de professeur Laurendeau permet une utilisation de l'approche avec des maillages overset bidimensionnel exempts de chevauchement impliquant plus d'une géométrie. Afin d'optimiser la robustesse et la flexibilité de l'approche sur des cas tridimensionnels plus complexes, une revue de littérature a été faite. Le premier développement de ce présent projet permettant l'application de la méthode à des cas tridimensionnels complexes est une méthode de découpage beaucoup plus robuste. L'approche des rayons X permet le découpage précis autour des géométries convexes et concaves avec une précision contrôlable. La méthode génère, avec les paramètres et ressources appropriés, des résultats sans défaut sur des applications industrielles complexes. L'application de la méthode sur des géométries complexes implique la plupart du temps des duplications de surface solide. Les maillages de type collant, aussi connu comme collar grid sont utilisés pour redéfinir des parties du maillage qui sont critiques et/ou mal définis.  ABSTRACT: The present thesis presents the recent advances brought to the overset technology in the research laboratory of Professor Éric Laurendeau at Polytechnique Montréal. The overset approach is widely used in the aerospace industry to support flow resolution on complex simulations in CFD. The method presented in this thesis assembles individual grids containing different solid bodies or part of them. It is therefore possible to represent a complex geometry via different sub-grids generated to fit their local discretization requirements. In reference to the Greek mythology, the method is sometimes referred as chimera. The flexibility brought by the method minimizes the risks and costs associated with the grid generation process. Typically, a preprocessor is used to build the grid to grid connectivity linking the different grids. This connectivity allows the communication of the flow variable's information at each iteration of the flow solver. The approach allows to easily add, remove or modify a horizontal stabilizer onto an aircraft configuration, for example. The scope of this thesis is to develop a three-dimensional overset preprocessor within the CHAMPS framework, which is a three-dimensional CFD solver, and aim to tackle industrial applications. The method is usually composed of a hole cutting step that allows identification of the grid cells outside of the computational domain and a connectivity step that build the interpolation stencil linking the grids. A first implementation of the technology in Professor Eric Laurendeau's laboratory allows applications on bi-dimensional case exempt of intersection between solid bodies. The first advancement to allow applications on more complex three-dimensional cases was to implement a more robust hole cutting method. The X-ray approach allows a precise cutting around both concave and convex bodies. With the appropriate inputs, the method generates results without default on complex industrial cases. The application of the method on more complex geometries often implies surface duplication. The collar grid approach uses auxiliary grids to define critical or ill-defined regions of the domain. They are often defining the regions surrounding an intersection between multiple solid bodies. Considerations for the use of the collar grid are brought to the implementation in order to increase the robustness. First, the surface integration to compute the aerodynamic forces must consider the surface duplications. Then, an auxiliary method helps accelerate the hole cutting in these often fine regions.


identifier: Robert, S. (2022). Caractérisation hydrogéothermique d'un aquifère fracturé accueillant un système géothermique avec puits à colonne permanente  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les puits à colonne permanente sont des échangeurs souterrains ouverts sur l'aquifère qui sont particulièrement efficaces et emploient l'eau souterraine comme fluide caloporteur. On compte actuellement un nombre limité de publications étudiant l'impact des conditions hydrostrati- graphiques sur la réponse thermique d'un puits ayant impliqué des essais expérimentaux. À ce jour, les travaux disponibles reposent principalement sur la modélisation et impliquent le plus souvent une opération avec saignée. Ce mémoire présente la caractérisation hydrogéo- thermique d'un site qui a permis l'étude d'un puits à colonne permanente opéré sans saignée dans un aquifère fracturé. Suite à une revue du contexte géologique et hydrogéologique à l'échelle régionale, l'École de la Clé-des-Champs située à Mirabel (Québec) a été sélectionnée pour accueillir un système doté de puits à colonne permanente. La caractérisation hydrogéothermique de l'aquifère réalisée a impliqué deux forages explora- toires, un essai de réponse thermique, un essai de pompage, des analyses géochimiques de l'eau souterraine et des profils de vélocimétrie en forage. Ceci a permis d'établir un portrait détaillé du site et de confirmer l'important potentiel géothermique pour l'implantation de puits à colonne permanente. En effet, l'essai de réponse thermique a révélé une performance thermique significative, même pour un puits à colonne permanente, alors que ce dernier a été opéré sans saignée. L'approximation de premier ordre de la source linéique infinie n'a pas permis d'obtenir une valeur de conductivité thermique réaliste pour les matériaux géologiques autour du puits. Il en a été déduit que la conduction seule ne pouvait expliquer la réponse thermique obtenue. Pour explorer cette hypothèse, une étude plus avancée a été requise pour comprendre les mécanismes de transfert de chaleur qui sont intervenus pendant l'essai de réponse thermique. Ainsi, un modèle numérique 3D d'éléments finis couplant le transfert de chaleur et l'écou- lement souterrain a été développé sur la base des observations de terrain afin d'interpréter l'essai de réponse thermique. Le modèle a également été développé dans le but d'étudier l'influence du contexte hydrostratigraphique sur la réponse thermique d'un puits à colonne permanente opéré sans saignée. En effet, l'aquifère situé au site de l'École de la Clé-des- Champs est entre autres caractérisé par une zone fracturée et transmissive, observée dans la partie inférieure des forages, et qui correspond à la Formation de Cairnside. Les travaux de modélisation ont permis de noter que dans ces conditions géologiques, l'advection, même sans saignée, pouvait être le mécanisme de transfert de chaleur dominant. De plus, les travaux ont mis en lumière l'influence des conditions hydrostratigraphiques sur l'interprétation de l'essai de réponse thermique, soit que la valeur moyenne ainsi que le profil de conductivité hydraulique influencent la réponse thermique du puits. Ceci a permis de montrer que la ap- proximation de premier ordre de la ligne source infinie comme méthode d'interprétation ne peut pas toujours être employée pour interpréter les essais de réponse thermique réalisés sur les puits à colonne permanente, même en l'absence de saignée. Les résultats supportent également le fait qu'une fracture à la base du puits, dans les condi- tions rencontrées à Mirabel, peut légèrement nuire à la performance thermique du puits. Une évaluation erronée des paramètres hydrogéologiques pourrait mener à une conception inappropriée du système. Une conclusion qui appelle à la prudence et qui encourage la réa- lisation d'une étude hydrogéologique pour bien définir le contexte hydrostratigraphique afin de considérer son effet lors de l'interprétation des essais de réponse thermique.  ABSTRACT: Standing column wells are particularly efficient ground heat exchangers open to the aquifer and employ groundwater as the heat transfer fluid. There are currently a limited num- ber of publications investigating the impact of hydrostratigraphic conditions on the thermal response of a well that have involved experimental tests. To date, the available work is primarily based on modelling and most often involves bleed. This document presents the hydrogeothermal characterization of a site that allowed the study of a standing column well operated without bleed in a fractured aquifer. Following a review of the geological and hy- drogeological context at the regional scale, the Clé-des-Champs School located in Mirabel (Quebec) was selected to host a standing column well system. The hydrogeothermal characterization of the aquifer involved two exploratory boreholes, a thermal response test, a pumping test, geochemical analyses of the groundwater and ve- locimetry profiles. This allowed to establish a detailed picture of the site and to confirm the significant geothermal potential to implement standing column wells. Indeed, the thermal response test revealed a significant thermal performance, even for a standing column well operated without bleed. The first-order infinite line source approximation did not yield a re- alistic thermal conductivity value for the geologic materials around the well. It was deduced that conduction alone could not explain the thermal response obtained. To explore this hy- pothesis, a more advanced study was required to understand the heat transfer mechanisms that occurred during the thermal response test. Thus, a 3D numerical finite element model coupling heat transfer and groundwater flow was developed based on the field observations to interpret the thermal response test. The model was also developed to study the influence of the hydrostratigraphic context on the thermal response of a standing column well operated without bleeding. Indeed, the aquifer located at the Clé-des-Champs School site is characterized by a fractured and transmissive zone, observed in the lower part of the boreholes, and which corresponds to the Cairnside Forma- tion. Modelling works has shown that in these geological conditions, advection, could be the dominant heat transfer mechanism, even without bleed. In addition, the work highlighted the influence of hydrostratigraphic conditions on the interpretation of the thermal response test, i.e., the average value as well as the hydraulic conductivity profile influence the thermal response of the well. This showed that the first-order approximation of the infinite source line cannot always be used to interpret thermal response tests performed on standing column wells. The results also support the fact that a fracture at the base of the well, under the conditions encountered at Mirabel, may slightly affect the thermal performance of the well. An erroneous assessment of the hydrogeological parameters could lead to an inappropriate design of the system. This conclusion calls for caution and encourages a hydrogeological study to properly define the hydrostratigraphic context in order to consider its effect when interpreting thermal response tests.


identifier: Varadharajan, V. S. (2022). Communication, Coordination and Organization of Practical Robot Swarms  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis quelques années, les systèmes multi-robots gagnent rapidement en popularité dans une foule d'applications, telles que les drones de livraison d'Amazon et les flottes de voitures autonomes de Waymo. Ces systèmes doivent être déployés pendant des périodes prolongées avec un minimum de temps morts pour augmenter rentabilité. Le paradigme le plus établi pour la robotique dans l'industrie est la centralisation, où un seul ordinateur contrôle l'ensemble du système. Cependant, dans ces systèmes une simple faute, ou déconnexion, de l'ordinateur central peut conduire à des défaillances catastrophiques comme des drones tombant du ciel sur des passants. Ces défaillances soulignent l'importance des méthodes décentralisées pour les systèmes multi-robots qui répartissent la collecte de données et la prise de décision entre les robots. Malheureusement, l'utilisation de systèmes décentralisés peut conduire à un manque de connaissance de la situation globale au sein des robots individuels, en raison de la nature locale et dispersée des données. L'absence de méthodes appropriées pour transmettre les objectifs globaux aux robots entrave leur utilisation dans les applications réalistes, ce qui est le but ultime de ce travail. Les défis entourant le manque de connaissances globales dans les systèmes multi-robots distribués proviennent de l'absence d'outils de gestion de données appropriés pour stocker et gérer efficacement les données, ainsi que du besoin de mécanismes de consensus robustes. Les méthodes actuelles de stockage et de gestion des données dans les essaims de robots sont limitées à un seul état. En revanche, la quantité de données produites par les robots devient de plus en plus grande et importante au fur et à mesure de l'évolution des technologies de capteur (i.e., la densité de pixels qui augmente sans cesse dans les caméras). Les mécanismes actuels de partage des données disponibles dans les systèmes distribués et les réseaux pair à pair ne s'appliquent pas directement aux essaims de robots en raison de leur grande mobilité et de leurs ressources de calcul limitées. Dans ce travail, nous proposons donc SOUL, un mécanisme de partage de données pour le stockage et la gestion de gros blocs de données au sein de grands essaims de robots. SOUL crée un pool de mémoire commun à partir de la mémoire inutilisée des robots de l'essaim. Ce pool de mémoire commun est disponible pour les robots qui ont besoin de stockage supplémentaire. Nous montrons que SOUL n'a qu'un impact minimal sur la mobilité et qu'il s'adapte bien aux essaims de milliers de robots en simulation. Nous démontrons également l'utilisation de SOUL dans plusieurs applications pratiques sur un essaim de 10 robots physiques.  ABSTRACT: Multi-robot systems are becoming more and more pervasive: clear examples are Amazon delivery drones and Waymo self-driving car fleets. These systems need to be deployed for extended periods with minimal downtime to increase profitability. The most established paradigm for robotics in industry is centralized, where a single computer controls the whole system. However, centralized systems have a single point of failure, which can lead to catastrophic failures like drones dropping from the sky on people. These failures stress the importance of decentralized methods for multi-robot systems, which distribute the data collection and decision-making among the robots. Unfortunately, the use of current state-of-the-art decentralized systems can lead to a lack of situational awareness within the robots, due to the local and scattered nature of the information. Communication issues can make coordination challenging, and the lack of proper methods to convey global goals to robots hinders their use in real-world applications, which is the ultimate goal of this work. The challenges surrounding the lack of situational awareness in distributed multi-robot systems stem from the lack of proper data management tools to store and manage data effectively, as well as robust consensus mechanisms. Common data-sharing mechanisms available in distributed systems and peer-to-peer networks do not apply directly to robot swarms due to their high mobility and limited computational resources. In this work we propose SOUL, a data-sharing mechanism for storing and managing large data blobs among large robot swarms. SOUL creates a common pool of memory from the unused memory of robots in the swarm. This common memory pool is available to robots that require additional storage. We show that SOUL has minimal impact on mobility and scales well to swarms of thousands of robots in simulations and also demonstrate the use of SOUL in several practical applications on a swarm of 10 physical robots.


identifier: Bahra, N. (2022). Mobility Prediction in Self-Organizing Cellular Networks  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La prédiction de la mobilité et la localisation en tant qu'éléments importants de la gestion de la mobilité jouent un rôle de premier plan dans les réseaux cellulaires auto-organisés. La prédiction de la mobilité est un catalyseur clé prometteur pour la gestion intelligente de la mobilité des futurs réseaux prévisibles dans lesquels les ressources disponibles sont critique limité. Les techniques de localisation offrent des opportunités en or pour un réseau intelligent gestion en termes de meilleure allocation des ressources, d'amélioration de la qualité de ser- vice (QoS) et réduction de la latence de transfert. De plus, les informations sur l'emplacement futur de l'utilisateur permettent à de nombreux applications et services mobiles de localisa- tion. Cependant, il existe un certain nombre de problèmes non résolus dans ce domaine qui n'a pas encore été abordé par les travaux existants dans la littérature. Dans cette thèse, nous passons en revue certains des travaux récents connexes et résumons les défis ouverts de perdition de mobilité dans les réseaux cellulaires. Nous proposons une nouvelle approche de prédiction de la mobilité qui est principalement basé sur le concept populaire de réseaux de neurones profonds (DNN). Notre travail non seulement se concentre sur l'amélioration des performances de précision des prédictions, mais répond également aux exigences de les limitations de complexité temporelle dans le contexte des futurs réseaux mobiles. Les approches proposées tirent pleinement parti des nombreux mérites des DNN afin de fournir une prédiction à long terme et de modéliser la mobilité de l'utilisateur même avec des motifs complexes et des irrégularités avec un temps d'exécution minimum. À cette fin, cette thèse met en évidence le besoin urgent de jeter les bases d'une gestion intelligente des réseaux. Pour atteindre cet objectif, notre travail est composé de trois phases principales.  ABSTRACT: Mobility prediction and localization as important parts of mobility management have leading roles in self-organizing cellular networks. Mobility prediction is a promising key  enabler for the intelligent mobility management of foreseeable future networks in which available resources are critically limited. Localization techniques provide golden opportunities for smart network management in terms of better resource allocation, quality of service (QoS) improvement and handoff latency reduction. Moreover, the information of user's future location empower many location-aware mobile applications and services. However, there are a number of unresolved issues in this field that has not been addressed yet by the existing works in the literature. In this thesis, we review some of the recent related works and summarize the open challenges of mobility perdition in cellular networks. We propose novel mobility prediction approaches that are mainly based on the popular concept of deep neural networks (DNNs). Our work not only focuses on the prediction accuracy performance improvement but also meets the demands of time complexity limitations in the context of future mobile networks. The pro- posed approaches takes full advantage of numerous merits of DNNs in order to provide a long-term prediction and model user's mobility even with complex patterns and irregularity with minimum execution time. To this end, this thesis highlights the urgent need for laying the foundation for providing intelligent network management. To fulfill this objective, our work is composed of three main phases.


identifier: Salomon, L. (2022). Contributions to Multiobjective Blackbox Optimization  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'optimisation de boîtes noires et l'optimisation sans dérivées sont deux disciplines mathématiques qui traitent des problèmes ne possédant pas de formulation analytique exploitable, rendant caduques les techniques d'optimisation usuelles fondées sur la dérivation. Ces types de problèmes découlent souvent de simulations numériques de systèmes complexes dont la structure ne peut être exploitée, appelées communément des boîtes noires. En outre, la complexification de ces systèmes a mis en évidence les limites d'un modèle d'optimisation unique ne prenant en compte qu'un seul objectif. En effet, de nombreux problèmes d'ingénierie mettent en jeu plusieurs critères, souvent contradictoires, que l'on cherche à optimiser en même temps. L'optimisation multiobjectif intègre ce cadre. La résolution ne donne pas une solution unique, mais un ensemble de points reflétant les différents compromis qui existent entre les objectifs. Les algorithmes qui s'attaquent à des problèmes de boîtes noires multiobjectif ne sont pas aussi développés que leurs homologues mono-objectif. Des heuristiques stochastiques et coûteuses, pouvant poser des problèmes de robustesse, ont longtemps dominé le champ de recherche. L'extension de solveurs mono-objectif déterministes et efficaces pour des boîtes noires possédant des preuves de convergence à l'optimisation multicritères n'a démarré que depuis une dizaine d'années et en est encore à ses débuts. Cette thèse propose donc de nouvelles contributions théoriques et pratiques pour l'optimisation multiobjectif déterministe de boîtes noires. La multiplication de nouveaux algorithmes multiobjectif nécessite d'autant plus le développement d'outils d'analyse afin de pouvoir valider leurs performances et les comparer entre eux, dans le but de guider l'utilisateur vers la ou les méthodes les plus adaptées à son application. La première contribution de cette thèse est une étude sur les indicateurs de performance pour l'optimisation multiobjectif, publiée dans European Journal of Operational Research. Ces derniers évaluent la qualité de l'ensemble des solutions retournées par une méthode multiobjectif sur un problème donné. Cette étude synthétise les propriétés de 63 indicateurs issus de la littérature scientifique, les classifie selon leurs propriétés et liste leurs principaux usages. La deuxième contribution est une nouvelle extension de la méthode de recherche directe par treillis adaptatifs (MADS) à l'optimisation multiobjectif de boîtes noires. Ce nouvel algorithme, DMulti-MADS, s'inspire des algorithmes DMS et BiMADS, créés pour résoudre ce type de problèmes. Nous démontrons que DMulti-MADS garantit la convergence vers un ensemble de points localement non dominés en se basant sur le calcul non lisse de Clarke sous des hypothèses classiques d'algorithmes de recherche directe. Afin de pouvoir valider sa performance, une extension des profils de données à l'optimisation multiobjectif est introduite, basée sur les recommandations de l'étude précédente. Des tests numériques montrent que Dmulti-MADS est compétitif par rapport à des algorithmes de l'état de l'art. Il est également plus performant pour des budgets d'évaluation de taille faible ou moyenne que BiMADS. Cet algorithme a fait l'objet d'une publication parue dans Computational Optimization and Applications. La dernière contribution propose deux nouvelles stratégies appliquées à DMulti-MADS pour gérer des contraintes d'inégalité de type boîtes noires. Les deux stratégies utilisent une fonction de violation des contraintes, que l'on cherche à minimiser en même temps que les objectifs. Ces deux nouvelles méthodes, nommées DMulti-MADS-PB et DMulti-MADSTEB, conservent les propriétés de convergence de DMulti-MADS. Elles sont comparées par rapport à une méthode de pénalité ainsi que les algorithmes de l'état de l'art BiMADS, DFMO et NSGA-II pouvant gérer ce type de contraintes. Les tests numériques montrent qu'elles affichent des performances supérieures aux autres algorithmes sur un ensemble de problèmes analytiques issus de la littérature. Elles surpassent également les autres méthodes sur deux des trois problèmes d'ingénierie réels considérés.  ABSTRACT: Blackbox optimization and derivative-free optimization are two subdisciplines of numerical optimization. They address problems which do not have an exploitable analytical formulation of objective and/or constraint functions. This absence of structure makes the deployment of usual derivative-based solvers impossible. Such problems commonly arise from numerical simulations modelling complex systems. Besides, real engineering situations have highlighted the limits of single-objective modelling. Indeed, many engineering problems involve several and often contradictory criteria, which one wants to optimize at the same time. Multiobjective optimization takes this framework into account. The resolution of such problems does not give a single optimal solution, but a set of points which represent the (potential) best trade-offs between the different objectives. Algorithms which tackle multiobjective blackbox problems are not as developed as their single-objective counterparts. For a very long time, stochastic and costly heuristics, with questionable reliability, have dominated the field of research. The generalization of deterministic and efficient single-objective methods to multiobjective blackbox optimization has only started about ten years ago and is still at its beginnings. This thesis therefore aims to explore further this research area by bringing new theoretical and practical contributions in deterministic multiobjective blackbox optimization. The increase in the development of new multiobjective methods requires all the more the conception of pertinent benchmarking tools to assess their performance and compare them. When done well, such analysis can be of great value to guide the user in the selection of the most suited algorithm to solve his/her applications. The first contribution of this thesis is a review on performance indicators for multiobjective optimization, published in European Journal of Operational Research. These performance indicators evaluate the quality of all trade-off solutions generated by a multiobjective solver on a problem. This review summarizes the properties of 63 indicators from the scientific literature, classifies them and presents main applications of these quality metrics. The second contribution is a new extension of the Mesh Adaptive Direct Search (MADS) method to multiobjective blackbox optimization. This new algorithm, denoted as DMultiMADS, is inspired by the two multiobjective blackbox solvers DMS and BiMADS. We prove that DMulti-MADS is guaranteed to converge towards a set of locally non-dominated points based on the Clarke calculus, under common directional search assumptions. To validate its performance, new data profiles for multiobjective optimization are introduced by following the recommendations of the previous survey. Numerical experiments show that Dmulti-MADS is competitive with state-of-the-art algorithms. It surpasses BiMADS when considering a small to medium budget of function evaluations. It has been published in Computational Optimization and Applications. The last contribution proposes two new strategies applied to DMulti-MADS to handle blackbox inequality constraints. Both strategies use a single constraint violation function which aggregates constraints. The goal is to minimize the constraint violation function and at the same time the objectives. We prove that these two approaches retain the convergence properties of DMulti-MADS. These two methods are compared with a penalty-based approach and the state-of-the-art solvers BiMADS, NSGA-II and DFMO, which can handle these constraints. Numerical experiments show that these two approaches are more efficient than the other algorithms on a set of analytical problems taken from the literature. They also outperform the other solvers on two of the three real engineering problems considered.


identifier: Clapperton Richard, P. (2022). Afficheurs microfluidiques comme outil d'étude des voies de signalisation cellulaires en biologie des systèmes  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'étude de la signalisation cellulaire est de première importance pour l'approfondissement des connaissances fondamentales en biologie des systèmes, mais aussi pour le développement de nouveaux traitements dans le cas de maladies où les voies de signalisation sont déréglées. Il est maintenant acquis que les cellules ont la capacité d'utiliser la dynamique afin d'encoder les signaux en provenance de leur environnement. C'est-à-dire que la façon dont la concentration des protéines de signalisation varie dans le temps influence l'expression des gènes en aval et donc le destin de la cellule.   Pour étudier la dynamique de signalisation cellulaire, il faut recourir à des méthodes qui permettent de stimuler en fréquence les voies de signalisation avec une haute résolution temporelle tout en permettant idéalement une analyse multiplexée. Parmi les techniques couramment utilisées, on retrouve les systèmes microfluidiques sur puce ou encore les systèmes optogénétiques. Toutefois, l'étude de la dynamique de signalisation cellulaire représente toujours un défi pour les chercheurs en raison de la complexité liée à la perturbation dynamique des voies de signalisation. Il se trouve qu'une récente technologie en microfluidique ouverte aurait le potentiel de faciliter et d'accélérer les recherches sur la dynamique de communication des cellules. Il s'agit des afficheurs microfluidiques, soient des dispositifs qui, à l'aide de canaux verticaux, injectent et aspirent des fluides sur une surface ouverte afin de créer différents motifs d'écoulement, et ce, avec une grande précision spatiale et temporelle.  L'objectif du présent travail était de caractériser les performances des afficheurs microfluidiques pour la stimulation dynamique et l'analyse de voies de signalisations cellulaires. D'abord, les techniques de design et de fabrication des afficheurs microfluidiques ont été reprises pour la conception d'un dispositif adapté à l'utilisation en culture cellulaire. La configuration retenue est celle de type fleur, où les injections se répartissent en cercle autour d'une ouverture d'aspiration commune pour former des écoulements en forme de pétales. Un compromis a été atteint pour limiter les forces de cisaillement au niveau des cellules, obtenir plus d'une centaine de cellules sous les zones traitées et réduire les temps de transition des injections jusqu'à environ 7s.  Le projet est ensuite passé à l'étape de l'utilisation de l'afficheur microfluidique en culture cellulaire. Le système a été validé en effectuant des tests de marquage de cellules avec le fluorophore Hoechst 33258. La précision spatiale et temporelle de la livraison de réactifs auxcellules a été vérifiée expérimentalement, permettant de constater le bon fonctionnement de l'afficheur conçu et des protocoles expérimentaux développés. Des expériences ont aussi démontré que la viabilité cellulaire n'était pas affectée par l'utilisation de l'afficheur sur les cellules. En effet, la viabilité est maintenue entre 94 % et 97 %, semblable au contrôle négatif (96,93 %), pour des durées d'utilisation de 30 min, 1 h et 1 h 30, et ce, dans la plage usuelle des paramètres d'utilisation de l'afficheur.   Finalement, la technologie des afficheurs a été mise à l'essai pour activer dynamiquement la voie de signalisation cellulaire Notch. D'abord, une solution d'éthylène diamine tétra-acétique (EDTA) a été utilisée pour activer le récepteur Notch1 de cellules exprimant en aval la citrine, un gène rapporteur fluorescent. En utilisant l'afficheur, il a été possible d'activer la voie Notch selon 6 différents temps d'activation au sein de la même expérience et de démontrer que le niveau d'activation Notch est proportionnel au temps d'activation par EDTA. Ensuite, l'afficheur a été utilisé pour envoyer des séries de pulses d'activation aux cellules afin d'étudier la réponse en fréquence de la voie Notch au niveau de l'expression des gènes d'intérêt Hes1 et Hey1. Les résultats, bien que préliminaires, démontrent que les afficheurs microfluidiques sont bel et bien efficaces pour étudier la dynamique d'une voie de signalisation.  Ce projet pave la voie à de futures recherches utilisant les afficheurs microfluidiques pour la caractérisation de la réponse en fréquence de la voie Notch, et éventuellement d'autres voies de signalisation. Les travaux présentés ont permis de faire la transition de la technologie des afficheurs microfluidiques à leur utilisation en culture cellulaire et la création de protocoles pour les expériences en biologie cellulaire.  ABSTRACT: Due to the important and ubiquitous role of cell signaling in biology, its study is not only essential to improve fundamental knowledge, but also for the development of new drugs targeting deregulated signaling pathways in various diseases. It has emerged that cells have the ability to use dynamic properties to encode signals coming from their environment. That is to say, the way the concentration of signaling molecules varies through time impact downstream gene expression and cell fate.   In order to study dynamics in cell signaling efficiently, techniques allowing to probe the cells with a high temporal resolution and in a multiplexed fashion are required. Among those techniques, there are some already successfully used such as microfluidic on-chip devices and optogenetics. However, the study of cell signaling dynamics remains a constant challenge for researchers due to the complexity of making targeted dynamic perturbations in signaling pathways. A recent technology in the field of open-space microfluidic has the potential to facilitate and accelerate research on cell dynamics, namely: the chemical microfluidic displays. These devices control the flow of a reagent over an open surface with the help of vertical channels coming out of a flat probe head. By adjusting the ratio of injection and aspiration of each aperture, it allows the confinement of fluids in various patterns with a high spatial and temporal resolution.  The main objective of the present work was to characterize the performances of the microfluidic display for the dynamic stimulation and multiplexed analysis of cell signaling pathways. First, a device of this type has been designed to be suited for use in cell culture, following fabrication techniques previously developed. The chosen configuration is that of the flower type, where the injections are distributed in a circle around a common aspiration aperture, thus forming petal shapes flows. A compromised has been reached in the design to limit the shear stress on the cells, to obtain more than a hundred cells under the treated areas, and to reduce the transition times of the injections down to approximately 7 s.  The next step in the project was to transition to the use of the microfluidic display in cell culture. The system has been validated by cell staining experiments using Hoechst 33258 fluorophore. The precision of spatial and temporal resolution for reagent delivery to the cells has also been experimentally verified, allowing to see the proper functioning of the display and the experimental protocols. Experiments have also shown that cell viability is not affected by the microfluidicdisplay operated over the cells. Indeed, cell viability was maintained between 94 % and 97 %, a level similar to the negative control (96,93 %), for use time of 30 min, 1 h and 1 h 30, and that under usual conditions of the display.  Finally, the microfluidic display technology has been used to dynamically stimulate the Notch signaling pathway in cells. First of all, an ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) solution was used to activate the Notch1 receptor in cells expressing a citrine, a downstream fluorescent reporter. The Notch pathway was activated with 6 different EDTA activation time during the same experiment using the display, thus showing that the level of Notch activation is proportional to the activation time. Next, the display has been used to send series of activation pulses to cells in order to measure the Notch frequency response in the downstream gene expression of Hes1 and Hey1. The results, even though preliminary, show the microfluidic display efficiency to study cell signaling dynamics.  This project paves the way for future researches using microfluidic display to study the Notch pathway frequency response, and eventually other interesting signaling pathway. The work presented has allowed the transition of the microfluidic displays to their use in cell culture, in addition of the creation of adapted protocols in cell biology.


identifier: Luinaud, T. (2022). Optimisation de la compilation de déparseurs pour processeurs réseau implémentés sur FPGA  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux de télécommunication ont vu leur taille, leur complexité et leur débit augmenter de façon très importante ces dernières années. Pour suivre cette évolution, les commutateurs, responsables d'aiguiller les paquets, ont perdu en flexibilité ce qui a rendu l'intégration de nouveaux protocoles plus compliquée. Afin de redonner de la flexibilité aux réseaux, le paradigme du réseau défini par logiciel — Software Defined Networking (SDN) a été introduit. Avec le SDN, le plan des données et le plan de contrôle sont séparés et peuvent donc être modifiés de manière indépendante. Récemment, afin de rendre le plan des données programmables, l'architecture de commutateur indépendante des protocoles — Protocol Independent Switch Architecture (PISA) a été introduite avec le langage P4 permettant de la programmer. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'optimisation de la compilation d'applications décrites dans le langage P4 en vue de leur implémentation sur des réseaux prédiffusés programmables — Field Programmable Gate Array (FPGA). Tout d'abord, nous cherchons à définir les limites des FPGA pour l'implémentation d'applications décrites avec le langage P4. Pour cela, nous proposons une évaluation des différents éléments composant l'architecture PISA, et des pistes de travail afin d'améliorer l'implémentation de plans des données sur FPGA. Les résultats de notre évaluation montrent que la microarchitecture actuelle des FPGA limite l'implémentation de certains types de comparaisons ainsi que le débit maximum qui peut être atteint. Également, nos résultats montrent que l'implémentation du déparseur, responsable de générer le paquet à émettre, peut être améliorée. À la suite de notre analyse de l'implémentation de programmes P4 sur FPGA, nous avons identifié deux éléments limitant les implémentations actuelles du déparseur. D'une part, le graphe de déparsage généré depuis P4 est trop séquentiel. D'autre part, les architectures de déparseurs ne tirent pas suffisamment avantage de la structure interne des FPGA. Pour augmenter le parallélisme exprimé par le graphe de déparsage, nous proposons d'effectuer une fermeture transitive du graphe. Cette transformation permet d'exposer le parallélisme pour l'évaluation des conditions de transition entre les sommets du graphe. Avec la transformation du graphe de déparsage, nous proposons une nouvelle architecture de déparseur générée depuis le graphe. L'architecture proposée maximise l'utilisation de connexions fixes afin de tirer avantage de la capacité de reconfiguration du FPGA. Notre approche permet ainsi de générer des déparseurs depuis des programmes P4 utilisant de 4× à 10× moins de ressources que les travaux précédents. Afin de réduire le coût d'implémentation de notre nouvelle architecture, nous proposons d'élaguer le graphe de déparsage en effectuant la spécialisation de programmes P4. La spécialisation est effectuée à l'aide de l'évaluation symbolique de certaines variables du programme P4. L'élagage du graphe de déparsage permet de réduire de 50 % l'utilisation de ressources par le déparseur comparé à la première approche proposée.  ABSTRACT: Computer networks have, in recent years, significantly increased in size, complexity and throughput. To keep up with this evolution, switches, which route network packets, have lost in flexibility, hence making the integration of new protocols more complex. To restore flexibility into the network, the Software Defined Networking (SDN) paradigm has been introduced. With SDN, the data and control planes are separated and can therefore evolve independently. Recently, to bring programmability to the data plane, the Protocol Independent Switch Architecture (PISA) has been proposed alongside the P4 language to program it. In this thesis, we focus on the optimization of the compilation of applications described using the P4 language with regards to their implementation on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). First of all, we seek to determine the limits of FPGAs concerning the implementation of applications described with the P4 language. For this purpose, we propose an evaluation of the different elements composing the PISA architecture, and avenues to improve implementation of network data planes on FPGA. Our evaluation results demonstrate that the current microarchitecture of FPGAs limits the implementation of certain types of comparisons as well as the maximum achievable throughput. Also, our results indicate that the implementation of the deparser, which generates the packet to be emitted, can be improved. Resulting from our analysis of the implementation of P4 programs on FPGAs, we have identified two elements limiting current deparser implementations. Firstly, the deparser graph generated from the P4 code is too sequential. Secondly, deparser architectures do not take sufficient advantage of the internal structure of FPGAs. To increase the parallelism expressed in the deparser graph, we propose to perform a transitive closure on the graph. With this transformation it is possible to expose the parallelism of the transition conditions evaluation between the vertices of the graph. Along with the transformation of the deparser graph, we propose a new deparser architecture generated from the graph. The proposed architecture maximizes the use of fixed connections in order to take advantage of the reconfiguration capability of the FPGA. Our approach makes it possible to generate deparsers from P4 programs using 4× to 10× fewer resources compared to previous work. In order to reduce the cost of our new architecture, we propose to prune the deparsing graph by performing P4 program specialization. The specialization is carried out by applying viii symbolic evaluation on certain variables of the P4 program. Pruning the deparsing graph reduces the deparser resource usage by 50 % compared to the first approach we proposed.


identifier: Alexandre, D. A. (2022). Analyse fréquentielle intégratrice des débits projetés au Québec méridional  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les inondations exceptionnelles de 2017 et de 2019 au Québec ont mis en lumière plusieurs défis en matière d'adaptation aux aléas climatiques. Pour mieux prévoir les risques d'inondation future, le ministère de l'Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques a mis en place en avril 2018 le projet INFO-Crue, qui vise à produire une cartographie prévisionnelle des zones inondables dans une grande partie du Québec méridional. Ce projet y contribue en étudiant l'évolution des débits extrêmes dans les tronçons de rivières jaugés et non jaugés du Québec jusqu'à l'horizon 2100. Les estimations de débits futurs seront par la suite utilisées pour calculer les niveaux de crue attendus et cartographier les zones à risque. L'étude des débits s'appuie sur deux ensembles de données fournis par la Direction de l'Expertise Hydrique (DEH), les pseudo-observations aux tronçons non jaugés et les simulations hydroclimatiques. Les pseudo-observations proviennent d'une méthode d'interpolation utilisant des observations des stations environnants et des simulations du modèle hydrologique Hydrotel. Elle permet d'estimer les débits dans les tronçons de rivière non jaugés (sans appareils de mesure) jusqu'à 2020. Les simulations proviennent d'un ensemble de modèles climatiques couplés au modèle hydrologique Hydrotel, simulant les débits futurs sous différents scénarios d'émission de gaz à effet de serre jusqu'à 2100. Ces simulations prennent en compte les changements climatiques. Deux modèles hiérarchiques bayésiens ont été développés, un pour les pseudo-observations et un pour les simulations hydroclimatiques. Les débits maximaux annuels sont extraits et modélisés dans le cadre de la théorie des valeurs extrêmes. Les modèles hiérarchiques bayésiens sont particulièrement adaptés pour structurer les données similaires provenant de plusieurs sources. Ils permettent en outre une estimation des débits extrêmes qui prend en compte les sources d'incertitudes dans un cadre statistique cohérent. Les sorties du modèle statistique pour les simulations sont biaisées par rapport aux sorties du modèle statistique pour les pseudo-observations. Une méthode de post-traitement statistique est alors adaptée pour corriger le biais entre les deux modèles et estimer les débits extrêmes futurs. La méthodologie proposée a été appliquée aux données de 234 tronçons de la rivière Chaudière au Québec. Les prévisions indiquent généralement une évolution à la baisse en amont et à la hausse en aval de la rivière pour le niveau de retour 100 ans. Les résultats de ce projet sont directement utilisables par la DEH pour cartographier les risques d'inondations actuels et futurs.  ABSTRACT: The exceptional floods of 2017 and 2019 in Quebec have shed light on several challenges regarding adaptation to climate hazards. To better foresee future flood risks, the Ministère de l'Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques started the INFO-Crue project in April 2018, which aims to produce a predictive map of flood-prone areas in the majority of southern Quebec. This project contributes to INFO-Crue by studying the evolution of extreme flows in gauged and ungauged river sections in Quebec, until 2100. Future flow estimations will then be used by another research team to calculate expected flood levels and map areas at risk. The statistical study is based on two datasets provided by the Direction de l'Expertise Hydrique (DEH): the pseudo-observations at ungauged sections and the hydroclimatic simulations. The pseudo-observations result from an interpolating method using observations from surrounding stations and simulations from the Hydrotel run-off model. It allows for estimations of riverflows in ungauged sections (without measuring devices) until 2020. The simulations come from a multi-model climate ensemble, coupled to Hydrotel to simulate future flows under different greenhouse gas emission scenarios until 2100. These simulations take climate change into account. Two hierarchical bayesian models were developed, one for the pseudo-observations and one for the hydroclimatic simulations. Annual maximum flows are extracted and modeled within the extreme value theory framework. Hierarchical bayesian models are particularly suited for structuring similar data from several sources. In addition, they allow for estimations of extreme riverflows which account for uncertainty within a coherent statistical framework. The model output for the flow simulations is biased compared to the model output for the pseudo-observations. A statistical downscaling method is used to correct biases between the two models and estimate future extreme flows. The proposed methodology was applied to flow data from 234 sections of the Chaudière River in Quebec. The forecast suggests a decreasing trend at sections located upstream and an increasing trend at sections located downstream, for the 100-year return level. The results of this project will be directly used by the DEH to map current and future flood risks.


identifier: Zarei, A. (2022). Validation of a Test Protocol for Navigation Surgery in Total Knee Arthroplasty  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Reconnue comme l'une des procédures orthopédiques les plus réussies avec un taux de survie de plus de 90 % au cours des 15 dernières années, le remplacement total du genou, également appelé arthroplastie total du genou, vise à remplacer les articulations du genou endommagées (ex. cartilage) avec un genou artiﬁciel. Le succès d'une procédure de remplacement de genou dépend principalement du placement précis de la prothèse et de l'alignement du membre in-férieur. Pour augmenter la précision du remplacement de genou, l'application de la robotique en chirurgie orthopédique a récemment émergé, laissant la place à un groupe de systèmes intervention humaine dans la boucle, qui combinent la dextérité des chirurgiens humains et la précision des robots. Un exemple de tels systèmes est le système de genou iAssist, qui est bien connu pour ses avantages, tels qu'un temps de chirurgie plus court par rapport aux systèmes assistés par ordinateur à grande console, un coût réduit et des complications post-chirurgicales réduites. Une nouvelle version d'iAssist a récemment été conçue avec des mises à jour du système, ce qui oblige à revalider l'ensemble du système en termes de précision et de sécurité. L'objectif de cette recherche est de concevoir un protocole de test pour valider la précision de la nouvelle version d'iAssist pour la procédure fémorale. L'objectif principal de cette étude peut être divisé en sous-objectifs suivants: (i) développer un protocole de test ainsi que la conception d'un spécimen artiﬁciel, (ii) caractériser l'eﬃcacité du protocole de test proposé, (iii) mesurer la déviation des angles de résection cruciaux, (iv) valider qu'iAssist est aussi précis que la méthode conventionnelle. Notre méthode de validation proposée repose sur l'utilisation d'une machine de mesure de coordonnées (FaroArm), ainsi qu'un spécimen de fémur artiﬁciel spécialement conçu. Après avoir déﬁni toutes les étapes de la procédure de test avec le FaroArm, une évaluation détaillée a été eﬀectuée pour prendre en compte les sources d'erreurs possibles et pour caractériser la précision de la procédure de mesure. Les résultats ont montré que la méthode de mesure proposée est 6 à 7 fois plus précise que la précision estimée d'iAssist, ce qui est une performance élevée pour une prototype. La méthode de mesure étant suﬃsamment précise, nous avons donc procédé à la mesure de la précision d'iAssist. La précision d'iAssist pour la procédure fémorale est déﬁnie par la précision avec laquelle iAssist localise le plan de résection fémoral, par rapport aux angles varus/valgus et ﬂexion/extension spéciﬁés par le chirurgien. Ces angles qui déﬁnissent le plan de résection sont déterminés avec l'axe mécanique du fémur. L'axe mécanique, par déﬁnition, est une ligne passant par deux repères anatomiques : le centre de l'articulation du genou (entre le condyle latéral et médial) et le centre de la sphère fémorale. La précision de la procédure fémorale avec iAssist n'est validée que si la précision de la résection fémoraledistale pour d'angle varus/valgus se situe à ±3◦ dans 83.6 % des cas et pour l'angle de ﬂex-ion/extension à ±3◦ dans 65.7 % des cas, selon les exigences du système et la précision de la méthode conventionnelle. Comme le résultat de notre étude démontre que la précision globale d'iAssist obtenue par notre technique de mesure était de [-2,21, +2,84] dans 96.6%des cas pour l'angle V/V, et de [-2.06, +2.93] dans 86.6% pour l'angle F/E. Les résultats de cette étude ont montré que nous avons atteint l'objectif principal de cette thèse et déﬁni un protocole de test pour mesurer la précision du système de genou iAssist. L'amélioration de la procédure de test sera possible en améliorant la conception du modèle de recherche ou les autres aspects de la méthode de test. L'ajout de poids, pour simuler les poids des tissus mous sur l'os (par exemple, les muscles et les tendons) est suggéré pour améliorer le modèle de recherche. Une autre suggestion est d'exécuter le protocole de test par des chirurgiens experts, aﬁn d'améliorer d'autres aspects de la méthode de test.  ABSTRACT: Known as one of the most successful orthopaedic procedures with a survival rate of more than 90% in the past 15 years, total knee replacement, also referred to as total knee arthroplasty (TKA), aims to replace damaged knee joints (i.e., bone and cartilage) with an artiﬁcial one. Successful outcome of a TKA procedure mainly depends on the accurate placement of the prosthesis and the alignment of the lower limb. To increase the accuracy in TKA, the application of robotics in orthopedic surgery has recently emerged, giving way to a group of human-in-the-loop (HITL) systems, which combine the dexterity of human surgeons and accuracy of robots. An example of such systems is the iAssist Knee System, which is well known for its advantages, such as a shorter time of surgery in comparison with large console Computer Assisted Systems, reduced cost, and reduced post-surgical complications. A new version of iAssist has recently been designed with system updates, which mandates the need to re-validate the whole system in terms of accuracy and safety. The objective of this research is to design a test protocol to validate the accuracy of the new version of iAssist for the femoral workﬂow. The main objective of this study can be divided into the following sub-objectives:(i) to develop an accuracy test protocol along with designing an artiﬁcial specimen, (ii) to characterize the eﬃciency of the proposed test protocol, (iii) to measure the deviation of the crucial resection angles, (iv) to validate that iAssist is as accurate as the conventional method. Our proposed validation method relies on using a coordinate measuring machine (FaroArm), along with a speciﬁcally designed artiﬁcial femur specimen. After deﬁning all the steps of the test procedure with the FaroArm and specimen, a detailed assessment has been done to take into account the possible sources of errors and to characterize the accuracy of the measuring procedure. The results has shown that the proposed measuring method is 6.5 to 7.3 times more accurate than the estimated accuracy of iAssist, which is a high performance for a prototype. Since the measuring method was accurate enough, thus we had proceed with measuring the accuracy of iAssist. The accuracy of iAssist for the femoral workﬂow is deﬁned by how accurately iAssist locates the femoral distal cut plane, relatively to the varus/valgus and ﬂexion/extension angles speciﬁed by the surgeon. These angles that deﬁne the cut plane are determined with the mechanical axis of the femur. The mechanical axis, by deﬁnition, is a line passing two anatomical landmarks: the center of knee joint (between the lateral and the medial condyle) and center of the femoral sphere. The accuracy of the femoral workﬂow with iAssist is validated only if the accuracy of the distal femoral cut for varus/valgus angle falls within ±3◦ in 83.6% of all cases and for ﬂexion/extension angle falls within ±3◦ in 65.7%of all cases, as per the system requirements and the accuracy of conventional method. As theresult of our study demonstrate the overall accuracy of iAssist obtained by our measuring technique was [-2.21, +2.84] in 96.6% of the cases for varus/valgus angle, and [-2.06, +2.93] in 86.6% for ﬂexion/extension angle. The results of this study has shown that, we achieved the main objective of this thesis and deﬁned a test protocol to measure the accuracy of iAssist knee system. Improvement of the test procedure will be possible by improving the design of the research model or other aspects of the test method. Applying weight, to simulate the weights of the soft tissues on the bone (e.g. muscles and tendons) is suggested to improve the research model. In addition to improvement of the research model, executing the test protocol by expert surgeons is suggested to improve other aspect of the test method.


identifier: Puech, L. (2022). Méthode d'analyse causale des défauts sur une ligne d'assemblage multiproduit  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'apparition grandissante des lignes d'assemblage multiproduit au sein des industries manufacturières au cours de ces dernières années s'explique par la démocratisation du concept de personnalisation en masse des produits. Ces lignes d'assemblage multiproduit permettent d'augmenter le nombre de références produit par une entreprise, tout en gardant des coûts de fabrication faible. Cependant, les méthodes classiques d'analyse des causes racines des défauts tels que l'analyse des modes de défaillance et de leurs effets (FMEA) ou la méthode des six sigmas peinent à fournir des résultats satisfaisants sur de telles lignes d'assemblage. Plus récemment, l'utilisation de méthodes de valorisation des données, extraites des systèmes industriels, a connu une forte croissance. Ces données ont un fort potentiel pour faciliter l'identification de produits défectueux et l'origine de ces défauts. L'objectif principal de cette recherche est d'ailleurs de faciliter l'identification des causes racines des défauts sur les lignes d'assemblage multiproduit par la valorisation de données. Pour y arriver, nous avons proposé une méthode d'analyse des causes racines qui repose sur une succession d'algorithmes d'apprentissages automatisés (AA), un partitionnement de nos produits à l'aide d'un algorithme de partitionnement hiérarchique, une analyse statistique des taux de défauts des groupes obtenus précédemment, et finalement, une classification de ces groupes à l'aide d'un algorithme d'arbres de décision. Nous avons testé notre méthode sur une ligne d'assemblage automobile.   Nous avons ainsi identifié que la succession de certains types de voitures dans la séquence de production augmente le taux de défauts. Puis, nous avons testé notre méthode dans un autre contexte industriel pour vérifier si celle-ci est généralisable. L'utilisation de notre méthode sur les données issues d'une machine d'assemblage de pneu utilisant une stratégie par lot de fabrication nous a permis d'identifier une opération particulière responsable de la majorité des défauts lors de l'assemblage des pneus. Au final, il semble donc que la combinaison de multiples techniques de valorisation de données permet d'améliorer le processus d'identification des causes racines de défauts sur une ligne d'assemblage multiproduits même si le nombre de défauts par référence est très faible.  ABSTRACT: The growing appearance of multi-product assembly lines in the manufacturing industry in recent years is explained by the democratization of the concept of mass customization of products. These multi-product assembly lines make it possible to increase the number of references produced by a company while keeping manufacturing costs low. However, the classical methods of root cause analysis of defects, such as the failure mode and effects analysis (FMEA) or the six sigma method, struggle to provide satisfactory results on these assembly lines. More recently, the use of methods for exploiting data, extracted from industrial systems, has experienced strong growth. This data has a strong potential to facilitate the identification of defective products and the origin of these defects.  As such, the main objective of this research is to facilitate the identification of root causes of defects on multi-product assembly lines through data mining. To achieve this, we have proposed a root cause analysis method based on a succession of machine learning (ML) algorithms, a partitioning of our products using a hierarchical algorithm, a statistical analysis of the defect rates of the groups obtained previously, and finally, a classification of these groups using a decision tree algorithm. We tested our method through a case study concerning a car assembly line. We have identified that the succession of certain types of cars in the production sequence increases the defect rate. Then we test our method in another industrial context to check if it is generalizable. Using our method on data from a tire assembly machine using a batch strategy allowed us to identify a particular operation responsible for the majority of defects during tire assembly. In the end, it seems that the combination of multiple data mining techniques can improve the process of identifying the root causes of defects on a multi-product assembly line, even if the number of defects per reference is very low.