title: COSMIC RAY PARTICLE FLUENCES IN THE ATMOSPHERE RESULTING FROM PRIMARY COSMIC RAY HEAVY IONS AND THEIR RESULTING EFFECTS ON DOSE RATES TO AIRCRAFT OCCUPANTS AS CALCULATED WITH MCNPX 2.7.0

title: FLUENCES DE PARTICULES DANS L'ATMOSPHÈRE RÉSULTANT D’IONS LOURDS DE RAYONNEMENT COSMIQUE PRIMAIRE ET LEURS EFFETS SUR LES TAUX DE DOSE POUR LES OCCUPANTS D’AVIONS DE LIGNE TELS QUE CALCULÉS PAR MCNPX 2.7.0

subject:
aviation
dosimetry
galactic cosmic radiation (GCR)
heavy ions (HZE)
ionizing radiation
MCNPX
Monte Carlo modelling
superposition

abstract:
Aircrews of commercial aircraft are exposed to higher doses of ionizing radiation than members of the general population in most parts of the world. The principal ionizing radiation to which aircrews are exposed is galactic cosmic radiation (GCR), which comes from outside our solar system. Among the most enigmatic particles present in the primary GCR spectrum are the so called heavy ions; atoms that are stripped of all electrons and traveling at relativistic speeds. They can cause unique biological injury that remains poorly understood. This research seeks to improve the evaluation of dose rates at altitudes up to the edge of space resulting from these ions.

Secondary particle spectra produced by mono-energetic showers of neutrons and GCR ions up through iron at 18 altitudes from 0-100 km were calculated by means of Monte Carlo simulations using MCNPX 2.7.0. These spectra were converted to doses per unit fluence of the incident primary particle using fluence-to-dose conversion coefficients or were summed in order to provide secondary particle flux per unit primary flux for 37 secondary particle types. Results were collected into databases for rapid numerical integration. A magnetic pass-band filter with a Kp-index-based correction function was constructed based on vertical magnetic cutoff rigidity to account for magnetic shielding prior to particles reaching the atmosphere. The atmosphere was modelled from the 1976 U.S. standard atmosphere. Multiple GCR models were used as sources to drive the model. Solar activity was accounted for using GCR model specific parameters. Neutron monitor data was used to account for Forbush decreases.

Calculations with CARI-7, the resulting rapid computer software model, compare well with measurements and dose calculations of others, but also show the characteristic shortcomings of modeling GCR showers without including local magnetic effects on particle path lengths and directions. Superposition, an approximation commonly used in modern flight-dose calculations, slightly increases effective dose rates at altitudes below 16.3 km and severely decreases them at higher altitudes, where increased ionization from heavy ions in the primary GCR flux and their large radiation weighting factors can result in effective dose estimates as high as 76 microseivert per hour.

abstract:
Les membres d’équipage d’avions de ligne commerciaux sont exposés à de plus grandes doses de rayonnement ionisant que les membres de la population générale vivant dans presque toutes les parties du monde.   Les membres d’équipage des avions de ligne sont surtout exposés au rayonnement cosmique galactique qui provient de l’espace hors de notre système solaire.  Les ions lourds sont parmi les particules les plus énigmatiques composant le spectre du rayonnement cosmique galactique primaire et comprennent des atomes qui ont perdu tous leurs électrons et qui se déplacent à des vitesses relativistes.  Ils peuvent causer des dommages biologiques importants qui demeurent peu compris.  La présente recherche vise à améliorer  l’évaluation des taux de dose causés par ces ions à des altitudes jusqu’à la frontière de l’espace.

Des simulations basées sur la méthode de Monte Carlo utilisant le code MCNPX 2.7.0 ont permis calculer des spectres de particules secondaires produites par des averses de neutrons mono-énergétiques et d’ions de rayonnement cosmique galactique jusqu’à la masse du fer pour 18 altitudes de 0 à 100 km.   On a pu alors convertir ces spectres en doses par unité de fluence de particule primaire incidente à l’aide de coefficients de conversion fluence-à-dose ou encore on a fait la sommation de ces spectres afin de déterminer des flux de particules secondaires par unité de flux de particules primaires pour 37 types de particules secondaires.  Les résultats ont été colligés en bases de données permettant une intégration numérique rapide.  On a ensuite construit un filtre magnétique à bande passante sur la rigidité verticale de coupure magnétique avec fonction de correction basée sur l’indice Kp pour prendre en compte les effets du  bouclier magnétique terrestre sur les particules avant leur entrée dans l’atmosphère.  Le modèle de l’atmosphère utilisé ici est le modèle américain standard d’atmosphère de 1976.  Plusieurs modèles du rayonnement cosmique galactiques ont été utilisés pour construire le modèle.  L’activité solaire a été incluse pour déterminer les paramètres spécifiques au modèle du rayonnement cosmique galactique.  On a tenu compte des décroissements de Forbush grâce aux données fournies par les installations de surveillance des neutrons.

La recherche a résulté en un logiciel rapide appelé CARI-7, dont les résultats se comparent favorablement avec des mesures expérimentales ainsi que des résultats de doses calculés par d’autres chercheurs.  De plus, les résultats obtenus ont permis de montrer les manquements caractéristiques résultant de modèles d’averses de rayonnement cosmique galactique qui n’incluent pas explicitement les effets magnétiques locaux sur les distances de parcours des particules et leur directions.  Enfin, on a déterminé que la superposition, une approximation fréquemment utilisée pour les calculs modernes des doses reliées aux vols en haute altitude, augmente quelque peu les taux de dose effective pour des altitudes inférieures à 16.3 km, mais diminue beaucoup ces taux pour des altitudes supérieures, pour lesquelles on constate une ionisation accrue due aux ions lourds du rayonnement cosmique galactique primaire et les grandes valeurs de leurs facteurs de pondération résultent en des taux de dose effective estimés aussi élevés que 76 Sv . h-1.


title: Mitigation of End Flux Peaking in CANDU Fuel Bundles Using Neutron Absorbers

title: Atténuation du pic de flux final dans les faisceaux de carburant CANDU à l'aide d'amortisseurs de neutrons

contributor: Royal Military College of Canada / Collège militaire royal du Canada

subject:
CANDU
Burnable Neutron Absorbers
End Flux Peaking

abstract:
End flux peaking (EFP) is a phenomenon where a region of elevated neutron flux occurs between two adjoining fuel bundles. These peaks lead to an increase in fission rate and therefore greater heat generation. It is known that the addition of neutron absorbers into fuel bundles can help mitigate EFP, yet implementation in Canada Deuterium Uranium (CANDU) type reactors using natural uranium fuel has not been pursued.
The computer code Monte Carlo N-Particle code (MCNP) 6.1 was used to develop a three-dimensional CANDU bundle-bundle contact model and simulate the addition of neutron absorbers positioned strategically within various locations within the fuel bundle. The burnable absorbers of interest include Gd2O3 and Eu2O3.The locations investigated include: within the end pellets of a fuel stack; within the CANLUB layer, which is a graphite layer on the inner surface of a CANDU fuel element; within thin disks located at the ends of the fuel stack; and alloyed in the endplate, which is a structural component of the CANDU fuel bundle. Concentrations of the absorbers were varied to gain a better insight into their effect on the axial-thermal-neutron flux profile of the fuel bundle. This work supports the work done at RMCC in introducing BNAs in the CANDU fuel bundle design.

abstract:
Les pics de flux aux extrémités des grappes de combustible sont un phénomène par lequel une région de flux neutronique élevé se produit entre deux grappes de combustible contigües. Ces pics produisent une augmentation du taux de fission et, par conséquent, une plus grande génération de chaleur. On sait que l’addition d’absorbeurs de neutrons dans les grappes de combustible peut aider à réduire ces pics, mais sa mise en oeuvre dans les réacteurs nucléaires de type CANDU (Canada Deutérium Uranium) utilisant de l’uranium naturel n’a pas encore été effectuée.
Le code d’ordinateur MCNP 6.1 (“Monte Carlo N-Particle”) a été utilisé pour développer un modèle tridimensionnel d’un contact grappe à grappe CANDU et pour simuler l’ajout d’absorbeurs de neutrons placés à divers endroits stratégiques dans la grappe de combustible. Les absorbeurs de neutrons consommables pertinents à cette étude comprennent le trioxyde de gadolinium (Gd2O3) et le trioxyde d’europium (Eu2O3). Les endroits étudiés incluent l’intérieur des pastilles de combustible à l’extrémité de l’empilement des pastilles, à l’intérieur de la couche CANLUB qui est une couche mince de graphite à la surface interne de la gaine, à l’intérieur de disques minces placés à l’extrémité de l’empilement des pastilles, et, finalement, formant une composante de l’alliage utilisé pour la fabrication des plaques d’extrémité qui font partie de la structure des grappes de combustible CANDU. On a varié les concentrations d’absorbeurs pour obtenir une meilleure connaissance de l’effet de leur présence sur le profil axial du flux de neutrons thermiques dans la grappe de combustible. Cette recherche supporte le travail effectué au CMRC sur l’introduction d’absorbeurs de neutrons consommables dans le design des grappes de combustible CANDU.


title: Space Surveillance from a Microsatellite: Metric observation processing from NEOSSat

title: Surveillance de l'espace à partir d'un microsatellite: Traitement d'observations métriques de NEOSSat

subject:
Space surveillance
image processing
orbit determination
space situational awareness
metric observations

abstract:
The Near-Earth Object Surveillance Satellite (NEOSSat) microsatellite is a dual mission space telescope that was launched on 25 February 2013 in a low Earth orbit (LEO) and which was designed to detect near-Earth asteroids and to conduct space surveillance observations. The microsatellite includes a 15-cm aperture optical telescope, two GPS receivers, and a high performance attitude control system. The space surveillance experimental mission, referred to as HEOSS (High Earth Orbit Space Surveillance), is designed to collect metric observations of Resident Space Objects (RSOs) in deep space orbits, primarily in the geostationary region. The HEOSS mission objectives are to evaluate the utility of microsatellites to perform Space Surveillance Network (SSN) catalog maintenance observations of RSOs and to perform optical space surveillance experiments which are difficult to perform from the ground.

An image analysis system was implemented that can automatically process NEOSSat's space-based track rate mode imagery. The image analysis software, known as Semi-QUIck Detection 3rd iteration (SQUID3) uses Fourier processing to identify the characteristics of star streaks in track rate mode images and a matched filter to detect image stars so that astrometry can be performed. The sequence of images taken on a given RSO is then processed in a stack of all frames, shifted to compensate for the RSO's motion between frames so that the signal is additive. Stacked image processing provides a method to reject false positive signals from the energetic cosmic ray background while enhancing the detectability of an RSO when compared to single image processing. Finally, detected observations are correlated against known objects in the SSN catalog.

An imaging campaign of GPS satellites was performed from September 2015 to February 2016 in order to assess the metric accuracy of HEOSS imagery. SQUID3 produced right-ascension and declination observations verified against reference orbits to a mean residual accuracy of 2.8 arcseconds level, meeting accuracy requirements of non-traditional sensors for SSN catalog maintenance.

The theoretical limiting magnitude of HEOSS imagery is presented and then verified from observations. Automated image processing of GPS satellites detected sources down to 15th magnitude. This is equivalent to detecting a 1.7 meter diameter RSO at geostationary range. An imaging campaign on Anik-A class satellites was taken on October 27 of 2015 at a range of solar phase angles. This produced imagery containing sources near and beyond NEOSSat's limiting magnitude. With manual verification of detected sources SQUID3 was able to produce observations down to 17th magnitude.

abstract:
Le Satellite de surveillance des objets circumterrestres (NEOSSat) est un microsatellite qui a été lancé le 25 février 2013 dans une orbite basse terrestre (LEO) et qui a été conçue pour détecter les astéroïdes à proximité de la terre ainsi que de mener des observations de surveillance de l'espace. Le microsatellite est équipé d'un télescope optique ayant une ouverture de 15 cm, deux récepteurs GPS et un système très précis pour contrôler l'orientation du satellite. La mission expérimentale de surveillance de l'espace, connue sous le nom de HEOSS pour ``High Earth Orbit Space Surveillance", est conçue pour prendre des observations métriques de satellites et débris spatiaux ayant des orbites à haute altitude, soit principalement des orbites géosynchrones. Les objectifs de la mission HEOSS sont d'évaluer l'utilité des microsatellites dans le cadre d'une mission de surveillance de l'espace ainsi que de prendre des mesures qui sont soit difficiles ou impossible à prendre à partir d'un télescope situé sur la surface terrestre.

Cette thèse décrit le développement d'un système d'analyse d'image qui traite de manière automatique les données de surveillance de l'espace produite par le microsatellite NEOSSat. Ce logiciel, nommé ``Semi-QUIck Detection 3rd iteration" ou SQUID3, utilise en premier temps une analyse de Fourier afin d'identifier les caractéristiques des lignes produites par les étoiles sur les images recueillies par NEOSSat. Par la suite, un filtre adapté est utilisé pour détecter la position précise de ces étoiles à des fins d'astrométrie. La séquence d'images prises pour un objet donné est alors traitée en groupe afin de compenser pour le déplacement de l'objet dans chacune des images. Le traitement d'image en groupe est une méthode efficace qui permit d'améliorer la détection d'objet en orbite terrestre tout en permettant de rejeter les faux signaux positifs qui sont causés principalement par les rayons cosmiques. Finalement, le logiciel permet d'identifie l'objet détecté par NEOSSat en effectuant un corrélation entre cette détection et le catalogue, d'objets en orbite terrestre, produit par le United States Space Surveillance Network (US SSN).

Cette thèse décrit aussi une expérience d'observation de satellites GPS qui a été effectuée entre septembre 2015 et février 2016 et qui cherchait à évaluer la précision métrique des images produites dans le cadre de la mission HEOSS du microsatellite NEOSSat. Les résultats de cette expérience, obtenus en traitant les images avec le logiciel SQUID3, ont produit des observations métriques en ascension droite et en déclinaison ayant une précision résiduelle moyenne de 2,8 arc-secondes ce qui a démontré que NEOSSat répond aux exigences de précision des capteurs non-traditionnels fournissant des données au US SSN.

Finalement, en se servant des résultats obtenus des observations de satellite GPS, cette thèse présente les limites de détection des images produites produite dans le cadre de la mission HEOSS et les compare aux valeurs théoriques. Les résultats démontrent que NEOSSat peut détecter des objets de 15ème magnitude, ce qui équivaut à détecter un objet ayant un diamètre de 1,7 mètre en orbite géostationnaire. Une autre expérience d'observation est décrite durant laquelle des satellites de classe Anik-A ont été observés le 27 octobre 2015. Les images obtenues lors de cette expérience ont démontré que le logiciel SQUID3 est en mesure de traiter avec succès des images près de la limite de détection de NEOSSat. De plus, avec une intervention humaine, le système fut en mesure de détecter des objets de 17ème magnitude.


title: COVERT COMMAND AND CONTROL USING THE SERVER MESSAGE BLOCK PROTOCOL

title: LE COMMANDEMENT ET LE CONTRÔLE DÉROBÉ UTILISANT LE PROTOCOLE SERVER MESSAGE BLOCK

subject:
network security
covert channel
server message block
SMB
command and control
exfiltrate
network defence
C2

abstract:
In order to successfully exploit a target network, an attacker must have the ability to exercise
command and control (C2) within the network without detection by its defenders. The aim of this research was to investigate how an attacker might exploit existing network support for the Server Message Block (SMB) protocol in order to implement a C2 communications channel that would be difficult to detect through network traffic analysis.
This research demonstrates how a stealthy SMB C2 communications channel can be designed by first characterizing typical SMB network traffic. Once normal SMB traffic parameters are identified, suitable mechanisms for stealthy communication channels are identified, implemented and evaluated as a proof of the concept.
By characterizing the network traffic and by investigating how an attacker might implement a C2 channel, this research demonstrates the threat SMB covert channels may pose to our networks.

abstract:
Afin d’exploiter un réseau complexe, un attaquant doit pouvoir effectuer le commandement et le contrôle (C2) sur ce réseau sans être détecté par ses
défendeurs. Le but de cette recherche était d’enquêter comme un attaqueur pourrait exploiter le soutien réseau natif pour le protocole Server Message
Block (SMB) afin d’implémenter un canal de communication pour le C2 qui serait difficile à détecter par l’analyse du trafic sur le réseau.
La recherche démontre qu’un canal de C2 SMB furtif peut être conçu en caractérisant tout d’abord le trafic SMB typique du réseau. Une fois que les
paramètres du trafic SMB sont identifiés, des mécanismes de communications furtives sont choisis, implémentés et évalués pour démonstrer la faisabilité.
En caractérisant le trafic du réseau, et en enquêtant comme un attaquant pourrait implémenter un canal C2, cette recherche démontre la menace que les canaux dérobés SMB portent à nos réseaux.


title: The Use of Biochar and Activated Carbon to Minimize Hydrophobic Organic Contaminant Bioavailability in Soils

title: L’utilisation du Biochar et du Charbon Actif afin de Minimiser  la Biodisponibilité des Contaminants Organique Hydrophobe dans les Sols

subject:
biochar
activated carbon
bioavailability
sorption
carbon amendments
phytotechnologies
remediation

abstract:
The ability of biochar to sorb hydrophobic organic contaminants (HOCs) in soil was investigated and compared to activated carbon (AC).  Six biochars were comprehensively characterized using 17 physical, chemical and biological protocols outlined by the International Biochar Initiative. Only one biochar, made from construction waste was found to be unacceptable for use as a soil amendment as it inhibited plant germination (40% germination rate) and caused invertebrate avoidance (70% avoidance). Using community level physiological profiling (CLPP), microbial communities were also characterized in HOC amended soils. The results suggest that biochar helps to restore microbial function in intensely degraded Brownfield soils.
Reductions in contaminant bioavailability following biochar and activated carbon (AC) application to contaminated soils were assessed using plants (Cucurbita pepo. spp. pepo) and soil invertebrates (Eisenia fetida).  In the first in situ study comparing these materials directly in soils conducted at a Brownfield site contaminated with polychlorinated biphenyls (PCBs) (71- 136 µg/g), AC and two types of biochar were statistically equal at reducing PCB uptake into plants (mean reduction of 70%). Biochar also significantly increased plant growth by up to 100% in severely degraded soil. These results suggest biochar has potential as a greener (i.e. more sustainable), lower cost alternative material to AC for HOC remediation. A complementary greenhouse study that included a bioaccumulation study of E. fetida, found that a mechanical mixing strategy resulted in bioavailability reductions up to 66% greater than manual mixing methods due to improved soil/sorbent homogeneity as a result of smaller biochar particle sizes and reduced resistance to mass transfer.
In soil highly contaminated with dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT = 2.5-39 µg/g), none of the carbon amendments were successful at minimizing plant uptake or improving plant growth, and AC caused adverse effects to invertebrate health.  Plant and invertebrate uptake were also compared to predicted bioavailability using an equilibrium passive sampling device (polyoxymethylene (POM)-based). The bioavailable fraction predicted by the POM samplers correlated well with measured invertebrate uptake (< 50% variability), but over-predicted plant root and shoot uptake. A literature review of DDT concentrations in C. pepo spp. pepo tissue over a range of DDT soil concentrations yielded a trend of decreasing plant uptake with increasing soil concentrations, confirming that at high DDT soil concentrations (>10 µg/g) plant uptake is limited.  This threshold effect limiting DDT plant uptake appeared to impair the passive sampler’s ability to adequately predict bioavailability to plants.
This thesis demonstrates biochar and AC have potential to be used as an in situ, non-removal management strategy for HOC contamination in soils, by minimizing bioavailability. These studies illustrate the need for careful characterization of carbon amendments prior to large scale-application to soils, and that these materials should be applied in a site-specific manner. The results also highlight the importance of including plants in bioavailability studies as the use of carbon materials for in situ contaminant sorption expands from a predominantly sediment to soil remediation technology.

abstract:
La capacité du biocharbon (biochar) à adsorber les contaminants organiques hydrophobes (COH) dans les sols a été examinée et comparée au charbon actif (CA). Six biochars ont été caractérisés en détail à l'aide de 17 protocoles physiques, chimiques et biologiques dictés par l’Initiative Biochar Internationale. Un seul biochar, composé de déchets de construction a été jugé inacceptable pour servir à amender le sol,  car il entrave la germination des plantes (taux de germination de 40%) et provoque l’évitement des invertébrés  (70% d’évitement). L’étude des profils physiologiques au niveau communautaire (PPNC) a permis de caractériser des communautés microbiennes dans les sols contenant des COH. Les résultats suggèrent que le biochar aide à restaurer la fonction microbienne dans les sols de friches industrielles intensément dégradés.
Les réductions de la biodisponibilité des contaminants suivant l’application du biochar et du CA aux sols contaminés ont été évaluées à l’aide de plantes (Cucurbita pepo spp. pepo) et d’invertébrés du sol (Eisenia fetida). Dans la première étude in situ, comparant directement ces sols modifiés à une friche industrielle contaminée aux biphényles polychlorés (BPC) (71- 136 µg /g), l’utilisation d’AC et de deux types de biochars a réduit de façon statistiquement égale l'absorption de BPC dans les plantes (réduction moyenne de 70%). Le biochar a également augmenté de manière significative la croissance des plantes jusqu'à 100% dans les sols intensément dégradés. Ces résultats suggèrent que le biochar présente un potentiel intéressant comme alternative écologique au CA pour l’assainissement de COH. Une étude complémentaire en serre, incluant des essais de bioaccumulation chez le E. fetida, a révélé que la stratégie de mélange mécanique entraîne des réductions de biodisponibilité jusqu'à 66 % de plus que les méthodes manuelles, puisqu’elle permet d'améliorer l’homogénéité sol/adsorbant en raison de la taille réduite des particules de biochar, et d’une réduction de la résistance au transfert de masse.
Dans les sols hautement contaminés par le dichlorodiphényltrichloroéthane (DDT = 2.5 à 39 µg/g), aucun des amendements de carbone n’a réussi à réduire l'absorption par les plantes, ni à améliorer la croissance végétale. De plus, le CA a causé des effets néfastes sur la santé des invertébrés. Le degré d’absorption par les végétaux et les invertébrés a aussi été comparé à la biodisponibilité prédite en utilisant un dispositif d'échantillonnage passif équilibré (à base de polyoxyméthylène (POM)). La fraction biodisponible prédite par les échantillonneurs de POM présente une forte corrélation avec l'absorption mesurée chez les invertébrés (<50 % de la variabilité), mais a surestimé l'absorption par les racines et les pouces de plantes. Une analyse de la littérature sur les concentrations de DDT mesurées dans les tissus C. pepo spp. pepo  affectés par une gamme de concentrations de DDT dans le sol révèle une diminution de l'absorption par la plante lorsque les concentrations dans le sol sont plus élevées, ce qui confirme que des concentrations DDT élevées dans le sol (> 10 µg/g) constituent une limite. Cet effet de seuil-limite pour l’absorption de DDT par les plantes  semble nuire à la capacité de l'échantillonneur passif à prédire adéquatement la biodisponibilité pour les plantes.
Cette thèse démontre que le biochar et le CA peuvent potentiellement être employés dans le cadre d’une stratégie sans déplacement in situ de gestion des COH dans les sols, afin d’en minimiser la biodisponibilité. Ces études illustrent la nécessité d’une caractérisation minutieuse des amendements au carbone dans les sols avant de procéder à une application à grande échelle, et que ces matériaux devraient être appliquées d'une manière spécifique au site. Ces résultats mettent également en évidence l'importance d'inclure les plantes dans les études de biodisponibilité puisque l'utilisation de matériaux de carbone pour l'absorption de contaminants in situ permet d’élargir la portée des technologies de remédiation des sédiments au sol entier.


title: FEATURE ENGINEERING FOR A MIL-STD-1553B LSTM AUTOENCODER ANOMALY DETECTOR

title: EXTRACTION DE CARACT ́ERISTIQUES POUR UN D ́ETECTEUR D’ANOMALIES PAR AUTO-ENCODEUR R ́ECURRENT `A M ́EMOIRE COURT-TERME ET LONG TERME POUR MIL-STD-1553B

contributor:
Royal Military College of Canada
Lachine, Brian

subject:
LSTM
Deep Learning
MIL-STD-1553B
Feature Engineering

abstract:
The MIL-STD-1553B data bus protocol is used to enable communications between aircraft subsystems. These interconnected subsystems are responsiblefor core services such as communications, instrument data and aircraft control. With fleet modernization, more threat vectors are introduced through increased inter-connectivity. These additional threat vectors create an opportunity in which adversaries have the ability to exploit vulnerabilities in the MIL-STD-1553B protocol. This potential for exploitation introduces a requirement for an Intrusion Detection System in order to maintain the reliability of the MIL-STD-1553B protocol and safety of the aircraft. Current research into MIL-STD-1553B Intrusion Detection Systems utilize signature or anomaly-based approaches. These methods demonstrated detection of malicious traffic; however, they require further improvements in order to improve their effectiveness.
The aim of this research is to refine the feature engineering component of an existing MIL-STD-1553B deep learning anomaly detector in order to improve its overall effectiveness. In this work, feature engineering includes generation of new features, feature selection and dimensionality reduction. The generation of new features creates an extended dataset derived from the primary features. Using three different supervised feature selection and one feature reduction technique, different feature sets are created for training and testing with an existing Long-Short Term Memory autoencoder anomaly detector.
In order to accomplish this aim, sixteen models are created. Twelve of these models are attack specific, created from four distinct attack types and three feature selection techniques against the original and generated feature set. The remaining four are general models. Three are based on features identified across all four attack types using the three selection techniques and the full feature set. The fourth general model is based on the dimensionality reduction technique that processed only the original feature set and did not consider attack type. These sixteen models are then evaluated using common performance metrics and compared to those of the original anomaly detector. This research is validated by the marked performance improvement achieved by the feature engineering refinements made in comparison to those of the original model. In addition, this research also showed a significant reduction in the number of features required to achieve this performance gain.

abstract:
Le protocole de bus de données MIL-STD-1553B est utilisé pour permettre les communications entre les sous-systèmes de l’avion. Ces sous-systèmes inter-connectés sont responsables des services de base tels que les communications, les données des instruments et le contrôle de l’aéronef. Avec la modernisation des avions, de nouveaux vecteurs d’attaques sont introduits grâce à une inter-connectivité accrue. Ces vecteurs d’attaque créent de nouvelles opportunités dans lesquelles les adversaires ont la capacité d’exploiter les vulnérabilités du protocole MIL-STD-1553B. Cette nouvelle menace amène une exigence pour un système de détection d’intrusion afin de maintenir la fiabilité du protocole MIL-STD-1553B et la sécurité de l’avion. Les recherches actuelles sur les systèmes de détection d’intrusion MIL-STD-1553B utilisent des approches basées sur les signatures ou les anomalies. Ces méthodes ont démontré la
capacité de détecter du trafic malveillant; cependant, ils nécessitent d’autres
affermissements afin d’améliorer leur efficacité.
L’objectif de cette recherche est d’améliorer l’extraction des caractéristiques d’un détecteur d’anomalies par apprentissage profond MIL-STD-1553B existant afin d’améliorer son efficacité globale. Dans ce travail, l’extraction de caractéristiques comprend la génération de nouvelles caractéristiques, la sélection
des caractéristiques et la réduction de la dimensionnalité. La génération de nouvelles caractéristiques crée un jeu de données étendu dérivé des caractéristiques principales. A l’aide de trois sélections de caractéristiques supervisées différentes et d’une technique de réduction de caractéristiques, différents ensembles de caractéristiques sont créés pour la formation et les tests avec un détecteur d’anomalie par auto-encodeur récurrent à mémoire à long terme existant.
Pour atteindre cet objectif, seize modèles sont créés. Douze de ces modèles sont spécifiques à
l’attaque, créés à partir de quatre types d’attaque distincts et trois techniques de sélection de caractéristiques par rapport à l’ensemble des caractéristiques original et généré. Les quatre autres sont des modèles généraux. Trois sont basés sur des caractéristiques identifiées dans les quatre types d’attaques à l’aide des trois techniques de sélection et de l’ensemble complet des caractéristiques. Le quatrième modèle général est basé sur la technique de réduction de la dimensionnalité qui ne traite que l’ensemble de
caractéristiques d’origine et ne prend pas en compte le type d’attaque. Ces seize modèles sont ensuite évalués à l’aide de paramètres de performance communs et comparés à ceux du détecteur d’anomalies d’origine. Cette recherche
est validée par la nette amélioration des performances obtenue grâce aux améliorations apportées à l’extraction des caractéristiques par rapport à celles du modèle d’origine. De plus, cette recherche a également montré une réduction
significative du nombre de caractéristiques nécessaires pour atteindre ce gain de performance.


title: GPU Parallelization of the MVDR Beamforming Algorithm for Multiple Input Multiple Output Radar

title: Parallélisation sur GPU de l’algorithme de formation de faisceaux MVDR pour le radar à entrées multiples et à sorties multiples

subject: GPU

subject: MIMO radar

subject: Parallelization

subject: Radar

subject: Beamforming

subject: Minimum Variance Distortionless Response

abstract: Using a Multiple Input Multiple Output (MIMO) radar provides numerous advantages, such as improving the spatial resolution, the immunity to interference, the signal-to-noise ratio (SNR) and the probability of detection for targets. Also, MIMO radar is beneficial as it can scan an entire region in a few pulses, and much faster than a phased array, which requires a scanning beam throughout the entire region. However, MIMO radar requires significant signal processing, which can introduce significant latency; this can be solved by using a Graphics Processor Unit (GPU). GPUs contain thousands of cores and can execute many operations in parallel. This capacity enables them to execute tasks significantly faster and more efficiently than Central Processing Units (CPUs). This thesis examines the design, development, and simulation of a parallel GPU implementation of minimum variance distortionless (MVDR) beamforming for a MIMO radar system. This algorithm was compared to a tradition CPU version. In all cases, it was found that the GPU executed the algorithm faster than the CPU version while successfully detecting all targets. This result proves that GPUs can be successfully integrated within a MIMO radar setup and would aide in decreasing the overall signal processing time required for target detection. This would be an excellent inclusion in massive MIMO radar, where hundreds of transmitters and receivers will be used.

abstract: L'utilisation d'un radar MIMO (Multiple Input Multiple Output) offre de nombreux avantages par rapport au radar à balayage de phase; il permet l'amélioration de la résolution spatiale, de l'immunité aux interférences, du rapport signal-sur-bruit (SNR) et de la probabilité de détection des cibles. Il permet aussi d’analyser une région entière en quelques impulsions et beaucoup plus rapidement qu'un radar à balayage de phase. Cependant, le radar MIMO nécessite un traitement de signal important qui peut introduire une latence significative. Ce problème peut être résolu à l'aide d'un processeur graphique (GPU). Les GPU intègrent des milliers de coeurs et peuvent exécuter de nombreuses opérations en parallèle. Cette capacité leur permet d'exécuter des tâches bien plus rapidement et efficacement que les unités centrales (CPU). Cette thèse examine la conception, le développement et la simulation d’une implémentation parallèle sur GPU de l’algorithme à formation de faisceaux MVDR (Réponse sans distorsion à variance minimale) pour un système radar MIMO. Cet algorithme a été comparé à une version sur processeur traditionnel. Dans tous les cas, il a été constaté que GPU exécute l'algorithme plus rapidement que la version sur CPU tout en détectant avec succès toutes les cibles. Ce résultat prouve que les GPU peuvent être intégrés avec succès dans une configuration radar MIMO pour réduire le temps de traitement du signal global nécessaire à la détection de cibles. Ce serait une excellente intégration dans les radar MIMO à grande échelle, où des centaines d'émetteurs et de récepteurs seront utilisés.


title: OPTIMAL CONTROL USING KRONECKER-PRODUCT LYAPUNOV-FUNCTION BASED TECHNIQUE: APPLICATION TO A 2-DOF HELICOPTER MODEL SET-UP

title: COMMANDE OPTIMALE AVEC TECHNIQUE BASEÉ SUR FONCTION DE LYAPUNOV ET PRODUIT DE KRONECKER: APPLICATION À UN DISPOSITIF DE MODÈLE D’HÉLICOPTÈRE À 2-DDL

subject:
Optimal control
Kronecker product
Lyapunov function
2-DOF Helicopter model set-up

abstract: In this work, we present the mathematical framework of the Kronecker product (KP) algebra and the optimal control theory. Using the advantage of such mathematical properties we present the optimal control of polynomial systems. We start by the algorithm of calculus of the optimal control law and we illustrate its efficiency through the application to some nonlinear plants. Also, we develop a new method called Lyapunov-function-based optimal control using KP presenting the advantage of guaranteeing the stability of the closed loop system by solving a linear matrix inequality (LMI) feasibility problem. We present the algorithm of calculus of such stabilizing control law and we illustrate its efficiency through nonlinear plants. The experimental part of this work was conducted on a two-degree-of-freedom (2-DOF) helicopter-based model set-up, in which we run many experiments for different desired trajectories to test the efficiency of the proposed method.

abstract: Dans ce travail, nous présentons la base mathématique de l'algèbre du produit de Kronecker et la théorie de la commande optimale. En profitant de l'avantage de ses propriétés mathématiques, nous présentons la commande optimale des systèmes polynomiaux en utilisant le produit Kronecker. Nous commençons par l'algorithme de calcul de la loi de commande et nous illustrons son efficacité à travers son application à des dynamiques non linéaires. De plus, nous développons une nouvelle méthode, appelée commande optimale basée la fonction de Lyapunov en utilisant le produit Kronecker, qui présente l'avantage de garantir la stabilité du système en résolvant un problème de faisabilité d’inégalité matricielle linéaire. Nous présentons l'algorithme de calcul de la loi de commande optimale stabilisante et nous illustrons son efficacité à travers son application à deux dynamiques non linéaires. La partie expérimentale de ce travail est conduite sur un système simplifié d’hélicoptère a deux degrés de liberté. Nous avons expérimenté et observé la réponse du système pour différentes trajectoires pour tester l'efficacité de la méthode proposée.


title: GFRP panels subjected to impact loads at room and artic temperatures

title: Panneaux en PRFV sujet à impacts à température ambiante et température artique.

subject: GFRP Impact

abstract:
ABSTRACT

Canada’s sovereignty and domestic operations are at the core of Canada’s Arctic and Defence policies. These missions warrant the advancement of research in cold temperature environments. Knowledge of cold temperature effects on new infrastructure using innovative materials such as fibre reinforced polymers (FRP) is critical in order to have safe and accurate design procedures. These new structures may be subjected to malicious or accidental threats that can generate extreme dynamic loadings such as blast or impact events.

To investigate extreme loading effects on lightweight infrastructure suitable for Arctic conditions, the impact response of a GFRP multi-cell ribbed structural panel subjected to low-velocity impact loadings was investigated. These panels could be used as primary or secondary structural components. An impact hammer apparatus was used to study the dynamic properties of the panels as well as to investigate the effects of low temperature when the panels were subjected to low- velocity impact. The main varying parameters in the following studies are panels’ temperature and imparted kinetic energy. Tests were conducted at two temperatures: 20 ºC which represents room temperature and -50 ºC for cold Arctic conditions. A total of 52 tests were carried out on 28 panels which had widths of 605 mm, heights of 80 mm and overall lengths of 1500 mm. The kinetic energies imparted to the panels varied from 1300 J to 2970 J by changing the impact hammer drop height. The panels’ threshold failure energy for quasi-static 3-point flexure tests at a strain rate of 6x10-5 s-1, was increased from a value of 960 J to 1590 J by increasing the strain rate to 1 s-1 using the impact hammer. This energy was increased even higher for cold temperature dynamic tests at similar strain rates to a value of 2090 J showing that the studied panels exhibited a higher energy absorption in cold temperatures under dynamic loads. Similar observations were made for failure displacements which increased not only by increasing the strain rate but also by reducing the temperature for similar strain rates. Residual strength tests were done on dynamically tested panels using a quasi-static 3-point flexural testing frame in order to capture their impact damage resistance. These tests were in good agreement with the threshold energies observed during impact tests. For room temperature tests, panels that were subject to an impact greater than approximately 1500 J would lose up to 80% of their flexural strength, and this threshold value was observed to be approximately 2100 J for cold temperature panels.

To complement the experimental studies, a single degree-of-freedom (SDOF) model was derived in order to simulate the laboratory tests. This model was based on the moment-curvature relations for this particular cross-section. The modelled responses were then created and compared with the observed experimental behaviour of all specimens in the testing schedule. The model generated accurate results under certain conditions. It was however unable to generate accurate results for most specimens that either had failed experimentally or for specimens that did not exhibit the same failure mode in the model and experiments. It is recommended that a more precise evaluation of an appropriate resistance function be determined that could be used for SDOF models or a more complex analysis such as explicit non-linear finite element analysis might be warranted for such brittle materials.

RÉSUMÉ

La souveraineté du Canada et les opérations domestiques font partie intégrale des politiques canadiennes concernant l’Arctique et la Défense. Ces missions demandent une avancée de recherche pour les conditions arctique. Il est critique de mieux comprendre les effets des températures froides sur les nouvelles infrastructures composées des matériaux légers tels que les polymères renforcés par fibre (PRV). Ces nouvelles structures pourraient être sujettes à des menaces accidentelles ou malicieuses qui résulteraient en force dynamiques extrêmes tels qu’une explosion ou un impact. Afin d’étudier les effets de telles forces dynamiques sur des infrastructures légères en conditions arctiques, la présente thèse étudie le comportement dynamique de panneaux structuraux multicellulaires en PFR de verre (PRFV) sujet à des impacts à faible vitesse. Ces panneaux pourraient être utilisés comme composantes structurales primaires ou secondaires. Un marteau de type pendule a été utilisé afin d’évaluer les propriétés dynamiques de ces panneaux. De plus, ce même appareil a été utilisé pour étudier l’effet des températures froides lorsque les panneaux sont soumis à des impacts à faible vitesse. Les variables principales de la présente thèse sont la température des panneaux et l’énergie cinétique imposée. Deux températures ont été retenues pour cette étude : 20 °C représentant la température ambiante, et -50 °C pour représenter les conditions arctiques. Un total de 52 essais ont été complétés sur 28 panneaux qui avaient 605 mm de largeur, 80 mm de hauteur et une longueur de 1500 mm. L’énergie cinétique transmise aux panneaux varie de 1300 J à 2970 J en changeant la hauteur initiale du marteau. Le seuil critique d’énergie pour les essais quasi statiques à une vitesse de déformation de 6x10-5 s-1 a été augmenté de 960 J à 1590 J en augmentant la vitesse de déformation à 1 s-1 pour les essais dynamiques. Ce même seuil a été augmenté davantage pour les essais dynamiques à -50 °C ayant une vitesse de déformation similaire avec une valeur de 2090 J. Ceci indique que les panneaux choisis manifestent une plus grande absorption d’énergie lorsque sujets à des forces dynamiques simultanément à des températures froides. Des observations similaires ont pu être constatées avec le seuil critique de déflexion. Ce seuil a été augmenté avec une vitesse de déformation plus rapide, ainsi qu’avec des températures froides pour les essais dynamiques. De plus, des essais de force résiduelle ont été complétés en utilisant un appareil de flexion trois-points afin d’évaluer la résistance des panneaux au dommage générés par les impacts. Ces

essais sont en accord avec les seuils d’énergie et de déflexions au moment de fracture évalués précédemment. Pour les essais à température pièce, les panneaux sujets à des impacts dépassant 1500 J perdaient environ 80% de leur force de flexion. Cette valeur d’impact était plus élevée pour les panneaux à température froide avec un résultat de 2100 J.

Afin de complémenter les essais expérimentaux, un modèle à  degré  de liberté simple a été utilisé pour simuler les résultats observés en laboratoire. Ce modèle a été basé sur la relation moment-courbure. Les relations forces-déflexions simulées ont été comparées avec tous les résultats expérimentaux. Le modèle a généré des comportements adéquats sous certaines conditions : lorsque les panneaux n’ont pas fracturé en laboratoire et lorsqu’ils ont suivi le même mode de rupture dans le modèle et les essais expérimentaux. Les panneaux ne suivant pas ces conditions, soit la majorité, ont présenté des résultats erronés. Il serait alors recommandé d’utiliser une méthode d’évaluation plus précise pour la fonction de résistance d’un modèle à degré de liberté simple ou tout simplement utiliser une autre méthode plus complexe et adéquate pour des matériaux fragiles telle que l’analyse d’éléments finis non-linaire explicite.


title: A Delayed Neutron Counting System for the Analysis of Special Nuclear Materials

title: Un système de comptage de neutrons retardés pour l'analyse de matériaux nucléaires spéciaux

subject:
delayed neutron
special nuclear material
activation analysis
nuclear forensics

abstract:
Nuclear forensic analysis is a modern science that uses numerous analytical techniques to identify and attribute nuclear materials in the event of a nuclear explosion, radiological terrorist attack or the interception of illicit nuclear material smuggling. The Canadian Department of National Defence has participated in recent international exercises that have highlighted the Nation’s requirement to develop nuclear forensics expertise, protocol and capabilities, specifically pertaining to the analysis of special nuclear materials (SNM). A delayed neutron counting (DNC) system has been designed and established at the Royal Military College of Canada (RMC) to enhance the Government’s SNM analysis capabilities. This analytical technique complements those already at RMC by providing a rapid and non-destructive method for the analysis of the fissile isotopes of both uranium (U) and plutonium (Pu).

The SLOWPOKE-2 reactor at RMC produces a predominately thermal neutron flux. These neutrons induce fission in the SNM isotopes 233U, 235U and 239Pu releasing prompt fast neutrons, energy and radioactive fission fragments. Some of these fission fragments undergo β- decay and subsequently emit neutrons, which can be recorded by an array of sensitive 3He detectors. The significant time period between the fission process and the release of these neutrons results in their identification as ‘delayed neutrons’. The recorded neutron spectrum varies with time and the count rate curve is unique to each fissile isotope. In-house software, developed by this project, can analyze this delayed neutron curve and provides the fissile mass in the sample. Extensive characterization of the DNC system has been performed with natural U samples with 235U content ranging from 2 – 7 μg. The system efficiency and dead time behaviour determined by the natural uranium sample analyses were validated by depleted uranium samples with similar quantities of 235U resulting in a typical relative error of 3.6%. The system has accurately determined 235U content over three orders of magnitude with 235U amounts as low as 10 ng. The results have also been proven to be independent of small variations in total analyte volume and geometry, indicating that it is an ideal technique for the analysis of samples containing SNM in a variety of different matrices. The Analytical Sciences Group at RMC plans to continue DNC system development to include 233U and 239Pu analysis and mixtures of SNM isotopes.

abstract:
L’analyse nucléaire légale est une science moderne qui utilise plusieurs techniques d’analyse pour identifier et attribuer des matériaux nucléaires dans le cas d’explosion nucléaire, d’attaque terroriste radiologique ou de la découverte de contrebande illicite de matériaux nucléaires.  Le Ministère de la défense nationale du Canada a participé récemment à des exercices internationaux qui ont mis en lumière le besoin de notre pays de développer le savoir-faire en analyse nucléaire légale, ainsi que les protocoles et les capacités, plus spécifiquement pertinents à l’analyse de matériaux nucléaires spéciaux (MNS).  Un système de comptage de neutrons retardés (CNR) a été conçu et mis en œuvre au Collège militaire royal du Canada (CMR) pour augmenter les capacités du gouvernement en analyse de MNS.  Cette technique analytique complémente celles déjà utilisées au CMR en fournissant une méthode rapide et non-destructrice pour l’analyse d’isotopes fissiles tels que l’uranium (U) et le plutonium (Pu).
Le réacteur SLOWPOKE-2 du CMR produit en prédominance un flux de neutrons thermiques.  Ces neutrons provoquent la fission des isotopes de MNS tels que 233U, 235U et 239Pu qui relâche des neutrons rapides prompts, de l’énergie et des fragments de fission radioactifs.  Certains de ces fragments de fission se désintègrent par émission β- et, par la suite, émettent des neutrons retardés, qui peuvent être détectés au moyen d’une batterie de détecteurs sensibles à l’hélium-3.  Le spectre des neutrons retardés enregistrés change avec le temps et la courbe du taux de comptage est unique à chaque isotope fissile.  Une partie de ce projet consistait à développer un logiciel-maison destiné à l’analyse de la courbe de neutrons retardés et à la détermination de la masse fissile dans l’échantillon.  Le système CNR a été caractérisé de façon extensive à l’aide d’échantillons d’uranium naturel avec des teneurs en 235U variant de 2 à 7 μg.  L’efficacité du système et le comportement du temps mort tels que déterminés par les analyses d’échantillons d’uranium naturel ont été validés par des analyses semblables faites avec des échantillons d’uranium appauvri avec des teneurs en 235U comparables, ce qui a permis d’établir une erreur relative typique de 3.6%.  Le système a déterminé avec précision la teneur en 235U sur trois ordres de grandeur avec des quantités de 235U aussi faibles que 10 ng.  Les résultats ont aussi démontré qu’ils sont indépendants des petites variations du volume et de la géométrie des échantillons analytiques, indiquant que cette technique est idéale pour l’analyse d’échantillons contenant des MNS selon une variété de différentes matrices.  Le Groupe de sciences analytiques du CMR prévoit continuer le développement du système CNR pour y inclure l’analyse du 233U et 239Pu, ainsi que des mélanges d’isotopes de MNS.


title: SULFONATED POLYETHER ETHER KETONE AS A SOLID ACID CATALYST FOR TRANSESTERIFICATION REACTIONS

title: POLYÉTHER ÉTHER CÉTONE SULFONÉ EN TANT QUE CATALYSEUR ACIDE SOLIDE POUR LES RÉACTIONS DE TRANSESTERIFICATION

subject:
Biodiesel
Transesterification
SPEEK
PEEK
Triacetin
Solid acid catalyst

abstract: Biodiesel is an environmentally friendly, low emission, direct replacement for diesel fuel. In this work, Sulfonated polyether ether ketone (SPEEK) was used as a catalyst in transesterification reactions, in order to explore the possibility of using SPEEK for the processing of biodiesel. SPEEK is a polymer with hygroscopic and acidic properties that increases with the degree of sulphonation (DS) of the polymer. SPEEK with a DS of 1.0 (100% sulphonated) dissolves in hot water while SPEEK with a DS lower than 0.4 does not dissolve in most organic solvents including methanol. All SPEEK used in this work was produced from the sulphonation of PEEK in concentrated sulphuric acid and characterized by the author. Transesterification reactions were conducted in a batch reactor at 50oC with triacetin, a short chain triglyceride, and methanol using SPEEK as a homogeneous catalyst and as a heterogeneous catalyst in the form of SPEEK/PEEK hybrid pellets. SPEEK with a DS of 1.0 demonstrated the same catalytic properties as sulphuric acid at same normality, in a transesterification reaction. Catalyst pellets were produced with a skin of SPEEK and a core of PEEK. The DS at the surface of the pellets was evaluated to be 0.36 based on elemental analysis performed using Energy Dispersive Spectroscopy. The SPEEK pellets used as a heterogeneous catalyst displayed slower transesterification kinetics due to the reduced availability of catalytic sites limited to the surface area of the pellets. It was found that the SPEEK catalyst pellets gradually lost their catalytic effectiveness due to observable degradation of their surface area caused by grinding of the pellets during mixing in the reaction vessel. The activation energy of the processed SPEEK was determined to be 78 kJ/mol. The sulphonation reaction conversion was also modelled by adapting existing equations to the conditions used in this research.

abstract: Le biodiesel est un produit de remplacement direct du diésel aussi plus respectueux de l'environnement. Dans ce travail, le polyéther éther cétone sulfoné (SPEEK) a été utilisé comme catalyseur dans les réactions de transestérification, afin d'explorer la possibilité d'utiliser le SPEEK afin de produire du biodiesel. Le SPEEK est un polymère aux propriétés hygroscopique et acide qui augmentent avec le degré de sulfonation (DS) du polymère. Le SPEEK avec un DS de 1,0 (100% sulfoné) se dissout dans l'eau chaude tandis que le SPEEK avec un DS inférieur à 0,4 ne se dissout pas dans la plupart des solvants organiques, comme le méthanol. Tout le SPEEK utilisé dans ce travail a été produit à partir de la sulfonation du PEEK dans de l'acide sulfurique concentré et caractérisé par l'auteur. Des réactions de transestérification ont été conduites dans un réacteur discontinu à 50 ° C avec de la triacétine, un triglycéride à chaîne courte et du méthanol en utilisant le SPEEK comme catalyseur homogène et comme catalyseur hétérogène sous la forme de pastilles hybrides SPEEK / PEEK. SPEEK avec un DS de 1,0 a démontré les mêmes propriétés catalytiques que l'acide sulfurique à la même normalité, dans une réaction de transestérification. Des pastilles de catalyseur ont été produites avec une peau de SPEEK et un noyau de PEEK. Le DS à la surface des pastilles a été évalué à 0,36 sur la base de l'analyse élémentaire réalisée en utilisant la spectroscopie à dispersion d'énergie. Les pastilles de SPEEK utilisées comme catalyseur hétérogène présentaient une cinétique de transestérification plus lente en raison de la disponibilité réduite de sites catalytiques limités à la surface des pastilles. Il a été trouvé que les pastilles de catalyseur de SPEEK perdaient progressivement leur efficacité catalytique en raison de la dégradation observable de leur surface provoquée par le broyage des pastilles pendant le mélange dans le réacteur discontinu. L'énergie d'activation du SPEEK produit a été déterminée comme étant de 78,37 kJ/mol. La conversion de la réaction de sulfonation a également été modélisée en adaptant des équations connues aux conditions utilisées dans cette recherche.


title: Robust Coupled Optimization of Aircraft Family Design and Fleet Allocation for Multiple Markets

title: Optimisation robuste de la conception de famille d'aéronefs et de répartition de la flotte dans divers marchés pour des systèmes totalement couplés

subject:
aircraft families
sustainable aviation
optimization under uncertainty
fleet allocation
aircraft conceptual design

abstract: Increasing air traffic demand and the resulting climate impact of aircraft are of growing public concern. The requirements for new commercial aircraft can differ significantly for different markets and operators. The design of new aircraft takes into account different markets and operational requirements; the design process is only loosely coupled with the use of these aircraft by operators around the world. The economic and environmental sustainability of commercial aviation requires not only the design of efficient new aircraft, but also closer consideration of the operations and flexibility of these aircraft during the design stage. This can be achieved by coupling the design optimization of multiple aircraft families with the simultaneous allocation of these aircraft in multiple markets. Including operational assignment of aircraft in the design stage can reduce operational inefficiencies, while the design of an aircraft family aims at reducing cost through the use of common components. In order to thoroughly investigate the trade-offs involved in designing efficient, environmentally sustainable aircraft, a coupled robust design optimization involving uncertainties in passenger demand over multiple years of operations was conducted. Results obtained show that the coupled design of aircraft families with the allocation of these aircraft to two distinct markets can significantly reduce fuel burn, operating and acquisition costs compared to existing aircraft. The optimized aircraft also provide higher flexibility and improved performance when compared against aircraft obtained from a robust design optimization approach, where each aircraft is optimized decoupled from the fleet allocation.

abstract: L'augmentation de la circulation aérienne et son impacte sur l'environnement sont une préoccupation croissante du publique. Les critères de conceptions de nouveaux appareils commerciaux varient grandement selon le marché et l'opération.  La conception de nouveaux appareils tient compte des marchés et des besoins opérationnels mais le processus de design n'est que faiblement couplé aux emploies de ces appareils par les exploitants d'aéronefs à travers le monde. La durabilité économique et environnemental de l'aviation commerciale exige non seulement un appareil économe  mais aussi une plus importante considération de comment ses appareils sont utilisés lors de la conception. Pour parvenir à ceci on doit coupler la conception des familles d'avions aux affectations des appareils dans divers marchés. Inclure l'affectation dans le processus de design peut réduire les inefficiences opérationnelles, alors que la conception de famille d'appareils à pour but de réduire les couts en utilisant de assemblages communs. Pour étudier à fond les compromis requis lors d'une conception d'appareils économiquement et environnementalement durable, une optimisation robuste et totalement couplée utilisant des incertitudes de la demande passagère sur plusieurs années d'opérations fut réalisée. Les résultats démontrent que coupler la conception de familles d'avions avec les affectations de ces appareils à deux marchés distincts peut grandement diminuer la consommation d'essence, les couts d'opérations et d'acquisitions comparés aux appareils existants. Les appareils optimisés permettent une plus grande flexibilité et une meilleure performance que des appareils conçus par une optimisation robuste où chaque appareil est découplé de leur affectation.


title: DESIGN AND ANALYSIS OF CIRCULAR DIFFRACTION GRATINGS

title: CONCEPTION ET ANALYSE DES RESEAUX DE DIFFRACTION CIRCULAIRE

subject:
diffraction grating
holograph
azobenzene functionalized material

abstract: Circular diffraction gratings have been formed by a new holographic technique using a circular diffraction grating generator.  This specially designed fixture consists of a mirror in the shape of the interior of a truncated cone that splits and redirects a beam of coherent and collimated light to form an interference pattern of concentric rings.  The interference pattern can be directly inscribed in surface-relief on a thin film of azobenzene functionalized glass forming compound.  The derived theory correctly predicts that the pitch of the resulting circular gratings can be controlled by altering the geometry of the mirrored fixture.  The inscription optical geometry can be further modified by adding a focusing lens and by changing the position of the focal point of inscribing light with respect to the sample film, affecting the rate of change of the pitch.  Ring gratings with a relatively smooth centre can be created by lowering the height of the mirrored fixture below a certain critical height.  The interior and exterior radii, the grating pitch, and the rate of pitch change (or chirp) of the resulting circular gratings can therefore be controlled, adding additional flexibility to the manufacturing process.  The result is a relatively large scale circular or ring grating, on the order of 1 cm diameter, that can be quickly and easily fabricated using common optical lab equipment to meet photonic applications specific requirements.

abstract: Des réseaux de diffraction circulaires ont été formées par une technique holographique en utilisant un générateur des réseaux de diffraction circulaires. Cette monture, spécialement conçue, consiste d'un miroir en forme de l'intérieur d'un cône tronqué, qui divise et redirige un faisceau de lumière cohérente pour former un patron d'interférence d'anneaux concentriques. Le patron d'interférence peut être inscrit directement en réseau de surface sur un film d’un verre fonctionnalisé d'azobenzéne. La théorie dérivée prédit correctement que le pas des réseaux circulaires résultants peut être contrôlé en modifiant la géométrie de la monture d'inscription. La géométrie optique d’inscription peut être encore modifiée par l'ajout d'une lentille ainsi qu’en changeant la position du point focal du rayon d’inscription par rapport au échantillon, ce qui affecte le taux de variation du pas.  Des réseaux en anneaux ayant un centre relativement lisse peuvent être créés en diminuant la hauteur de la monture au-dessous d'une certaine taille critique. Les rayons intérieur et extérieur, le pas du réseau, et le taux de changement du pas peuvent donc tous être contrôlés. Le résultat est un réseau circulaire relativement grand de l'ordre de 1 cm de diamètre, qui peut être rapidement et facilement fabriqué en utilisant des équipements communs dans les laboratoires d’optique, afin de répondre aux exigences spécifiques des applications photoniques.


title: Locating a Minisum Annulus

title: Repérage d’un espace annulaire selon le critère mini-somme

subject:
minisum
minimax
covering
partial covering
annulus
strip

abstract: The problem is to find the best location of a minisum annulus with given width using the partial coverage distance model. The concept of partial coverage distance is that given demand points in the covering area are covered at no cost, while for uncovered demand points there will be additional costs proportional to their distances to the covering area. The objective of the problem is to locate the annulus such that the sum of distances from the uncovered demand points to the annulus (covering area) is minimized.  The distance is measured by the Euclidean norm.  We discuss the cases where the radius of the inner circle of the annulus is variable and given. For the variable radius, we prove that at least two demand points must be on the boundary of any optimal annulus. Based on that, an algorithm to solve the problem is introduced.  In the case of given radius, we introduce the model and show its usefulness in locating undesirable facilities.

abstract: Le problème est de repérer le meilleur emplacement d’un espace annulaire avec des données de la largeur en utilisant le critère mini-somme et un modèle à distance avec couverture partielle. La notion de distance avec couverture partielle est que les points dans la zone de couverture sont servis sans pénalité, mais il y aura, pour la découverte des points, un surcoût proportionnel à leur distance de la zone de couverture. L’objectif du problème est de localiser l’espace annulaire tel que la somme des distances comprises entre les points non couverts par l’espace annulaire (superficie) réduit au minimum. La distance est mesurée par la norme euclidienne. Nous discutons les cas où le rayon du cercle intérieur de l’espace annulaire est variable et donné. Pour le rayon variable, nous avons prouvé qu’au moins deux points devaient être sur la limite d’un anneau optimale. Sur cette base, un algorithme pour résoudre le problème est introduit. Dans le cas d’un rayon donné, nous introduisons le modèle et nous prouvons son utilité en localisant des installations indésirables.


title: Measurement and Computation of Losses from a Transonic Turbine Vane Cascade

title: Measure et  évaluation numérique de la perte d'une grille d'aube fixe de turbine en régime transsonique

subject:
Gas Turbine
Aerodynamics
Transonic

abstract:
Experimental and numerical studies were performed on a cascade of first stage nozzle guide vanes operating  at transonic speeds. Detailed pressure measurements on the blade surface and in the wake, as well as oil film and schlieren flow visualization were combined with computational predictions to examine the aerodynamic performance of the blades. Experimental data were collected between Mach 0.3 and 1.3, while computational predictions extended this range to Mach 1.7.
The analysis was focused on examining the behaviour of the blade losses with increasing Mach number. The losses reached a local maximum at an exit Mach number of unity and experienced a subsequent decrease or plateau with increasing Mach number. The computational results showed that this transonic loss plateau existed until the exit Mach number exceeded 1.4.
Investigations into the aerodynamic performance of the blade showed that the base pressure had a strong influence on the behaviour of the losses. At supersonic speeds, shocks and shock-boundary layer interactions were also important contributors to the loss.
Steady and unsteady computational models showed excellent qualitative and fair quantitative agreement with the experimental data. Empirical correlations for the losses under-predicted the experimental measurements.
The behaviour of the aerodynamic losses from the nozzle guide vane under investigation showed that there was a potential advantage, or at least no penalty, to operating at exit Mach numbers higher than the design value of 1.16. If the mating rotor could tolerate the increased inlet speed, this could result in an increase in stage efficiency.

abstract:
L'analyse se concentra sur la correlation des pertes en fonction du nombre de Mach Croissant. Les pertes ont atteint un maximum at un nombre de Mach unitaire à la sortie et dépendamment de la définition de perte employée, montre une diminution suivie d'un plateau à mesure que le nombre de Mach augmente. Les résultats numériques démontrent que le plateau s'étend jusqu'à Mach 1.4
L'étude de la performance aérodynamique de l'aube montre que la pression du culot a une forte influence sur les pertes. Aux vitesses supersoniques, l'interaction entre les ondes de choc et la couche limite contribue aussi grandement aux pertes. Les pertes engendrées dans la couche limite non décollé ont très peu d'effets sur la performance de l'aube.
Les modèlles numériques, stationnaire et instationnaire, montrent un excellent accord qualitatif et une bonne représentation quantitative des données expérimentales. Les corrélations empiriques pour les pertes sous-estiment les valeurs expérimentales.
La perte aérodynamique résultant des aubes étudiées montre qu'il y a un avantage ou du moins aucun dèsavantage à utiliser ces aubes à des nombres de Mach à la sortie plus grandes que celle de conception soit 1.16. Si le rotor couplé a ce stator peut accepter cette vitesse accrée, ceci pourrait accroïtre le rendement de l'étage.


title: Analyse de la contribution à l’effort de guerre des Franco-Américains de Manchester (New Hampshire) lors de la Première Guerre mondiale

title: Analysis of the Behavior of the Franco-American community in Manchester, New Hampshire, during the First World War

subject:
Franco-Américains
Première Guerre Mondiale
Manchester
Nouvelle-Angleterre
effort de guerre
contribution

abstract: Cette monographie porte sur l’étude du comportement de la communauté franco-américaine de Manchester, New Hampshire, pendant la Première Guerre mondiale. Elle est une analyse de leur contribution générale à l’effort de guerre avant et durant l’implication des États-Unis dans le conflit. Nous avons dépouillé le quotidien local, L’Avenir National, afin de définir, dans un premier temps, la structure sociale de cette collectivité, à cette époque, et de déterminer les intérêts de son intelligentsia. Ensuite, l’étude d’articles du journal sert de fondation pour déterminer dans quelle mesure cette communauté s’est engagée pour la cause de l’Entente, à travers les œuvres de bienfaisance, les volontaires pour le service militaire (le Corps expéditionnaire canadien, les forces militaires françaises, la Garde Nationale et les forces expéditionnaires américaines) et les contributions aux emprunts du gouvernement américain pour financer la guerre. Or, cette communauté était grandement impliquée dans la direction politique de la ville et de l’État du New Hampshire. De plus, elle désapprouvait la politique de neutralité du Président Wilson à l’égard des nations belligérantes. D’ailleurs, dès le début du conflit, la communauté franco-américaine prend position en faveur de l’Entente. Pendant la phase active des États-Unis dans le conflit, la ville de Manchester excède toujours les objectifs qui lui sont assignés, soit lors des différentes collectes de fonds de la Croix-Rouge ou lors des campagnes de financement de la guerre du gouvernement américain. Pour l’élite franco-américaine de Manchester, la démonstration du patriotisme de cette communauté était indispensable pour sa survivance et la Grande Guerre fut une opportunité, pour elle, de démontrer clairement aux protagonistes du nativiste que les Franco-Américains pouvaient être à la fois francophones et Américains.

abstract: This monograph examines the behaviour of the Franco-American community in Manchester, New Hampshire, during the First World War. The war contribution of this group has already begun prior to the entry of the United States in the conflict. By reviewing articles from the local daily French newspaper, L’Avenir National, we discovered how this society has helped to achieve the strategic aims of its intelligentsia, by supporting the Entente cause through charities, enrolment, either in the Canadian Expeditionary Force, the French Army, the National Guard or the American Forces and contributions to the various American loans to finance war. Indeed, the Franco-American politicians were heavily involved ensuring the town and state participation to the war was outstanding and disapproved President Wilson Neutrality’s policy. During the active phase of the United States in the conflict, Manchester always exceeded their assigned goals to support the war efforts, either during the various fundraisers of the Red Cross or during the war loan campaigns of the American government. For Manchester’s Franco-American elite, the demonstration of patriotism became essential for its survival and the Great War was an opportune situation to clearly demonstrate, to the nativist protagonists, Franco-Americans could be both francophones and Americans.


title: FINITE ELEMENT ANALYSIS OF AN EMPTY 37-ELEMENT CANDU® FUEL BUNDLE TO STUDY THE EFFECTS OF PRESSURE TUBE CREEP

title: ANALYSE PAR ÉLÉMENTS FINIS D’UNE GRAPPE DE COMBUSTIBLE CANDU® VIDE À 37 CRAYONS POUR L’ÉTUDE DES EFFETS DU FLUAGE DU TUBE DE FORCE

subject:
CANDU
fuel bundle
deformations
finite element method
pressure tube diametral creep
ANSYS
sub-channels

abstract:
CANDU® fuel bundles and pressure tubes experience deformations over time, and
the horizontal configuration of the bundle in a crept pressure tube causes coolant to
bypass the bundle. The rods in the bundle can also deform and sag due to harsh
reactor conditions and further reduce the sub-channel areas in the bundle. Parts of
the bundle and sub-channels where the flow is limited may experience dryout
earlier than expected due to reactor aging. Therefore, it is imperative to quantify
the effects of pressure tube creep by modelling the bundle deformation inside a
pressure tube.
This thesis seeks to first develop a 3D finite element model of a complete CANDU
37-element fuel bundle without pellets. Then the pressure tube was expanded to
determine the effects of diametral creep on bundle deformations. Past efforts in
simulations and experimental work were compiled, yet no full bundle deformation
model with contact was established. Post Irradiation Examinations and bundle heat
up tests were performed, and their profilometry data were used to establish a
qualitative benchmark for the deformation of the full bundle model. The finite
element model was constructed using the commercial finite element software
ANSYS. Contact was demonstrated between the appendages, and sensitivity of the
deformation to different boundary conditions was explored. The complexity of the
model necessitated the use of high-powered computing hardware. Expanding the
pressure tube up to 8% diametral creep demonstrated the proper functioning of the
spacer pads and bearing pads in preventing sheath to sheath contact at the
midplane, and sheath to pressure tube contact. However, the quarter plane was
deemed to be the critical region due to the lack of spacer pads preventing excessive
rod bowing.

abstract:
Les grappes de combustible CANDU® et les tubes de force subissent des
déformations au fil du temps, et la configuration horizontale de la grappe dans un
tube de force déformé par le fluage permet au caloporteur de contourner la grappe.
Les crayons de la grappe peuvent aussi se déformer et s’affaisser à cause des dures
conditions ambiantes dans le réacteur et causer une réduction additionnelle des
aires des sous-canaux. Des parties de la grappe et des sous-canaux où le débit du
caloporteur est réduit peuvent subir des conditions d’assèchement prématurées
causées par le vieillissement du réacteur. Il est donc important de quantifier les
effets du fluage du tube de force en modélisant les déformations de la grappe à
l’intérieur du tube de force.
Cette thèse vise d’abord à développer un modèle en trois dimensions d’une grappe
de combustible CANDU® complète, mais sans les pastilles de combustible. Puis,
les dimensions du tube de force ont été agrandies pour déterminer les effets du
fluage diamétral sur la déformation de la grappe. On a compilé les résultats de
tentatives passées de modélisation et de travail expérimental, qui cependant n’ont
pas permis d’établir un modèle de déformation de la grappe entière. Des examens
post-irradiation et des tests de chauffage de la grappe ont été effectués, et leurs
résultats de profilométrie ont été utilisés pour établir un ensemble de données de
référence pour le modèle de la déformation de la grappe entière. Le logiciel
commercial d’éléments finis, ANSYS, a été utilisé pour construire le modèle par
éléments finis. Le contact a été démontré entre les entretoises et on a exploré la
sensibilité de la déformation aux conditions frontières. La grande complexité du
modèle numérique a nécessité l’emploi de très grandes ressources de calcul. Une
expansion par fluage diamétral du tube de force jusqu’à 8% a confirmé le
fonctionnement approprié des entretoises et des patins qui ont empêché tout contact
entre les gaines des crayons adjacents, de même qu’entre les gaines des crayons et
la paroi du tube de force au plan situé au milieu de la grappe. Cependant, on a
déterminé que le plan situé au quart de la longueur de la grappe était la région la
plus critique à cause de l’absence d’entretoises et de patins qui empêchent tout
gauchissement excessif du crayon de combustible.


title: Jacques-François de Chastenet de Puységur and L'Art de la guerre:  The Man and His Thought in the Age of Enlightenment

title: Jacques-François de Chastenet de Puységur et l'Art de la guerre:  L’Homme et sa pensée au siècle des Lumières

subject: Puységur, Jacques-François de Chastenet de (1656-1743)

subject: Theory of Warfare

subject: History

subject: Enlightenment

subject: Ancien Régime

subject: Esprit géométrique

subject: Empiricism

subject: Quantification

subject: Warfare

subject: Technology

subject: France

abstract: The thesis argues that Jacques-François de Chastenet de Puységur (1656-1743) pioneered a new conception of field warfare.  His Art de la guerre par principes et par règles (1748) encompasses the ideas which placed him at the cutting edge of military thought in his day.  Having spent a lifetime in the profession of arms, he sought to do for campaigning the same feat as Sébastien Le Prestre de Vauban (1633-1707) did for siege warfare:  a reasoned system with the certainty of mathematics and geometry.  Puységur’s thought is here examined in military and intellectual contexts of his time.

abstract: Ce mémoire démontre comment Jacques-François de Chastenet de Puységur (1656-1743) a innové en mettant de l'avant un nouveau modèle de guerre de campagne.  Son Art de la guerre par principes et par règles (1748) renferme une conception qui le place à l’avant-garde de la pensée militaire de son époque.  Ayant passé le plus clair de sa vie à servir par les armes, il s’est donné pour tâche d’accomplir pour la guerre de campagne le même exploit que Sébastien Le Prestre de Vauban (1633-1707) avait accompli pour la défense et l’attaque des places :  un système raisonné qui présente la même certitude que les mathématiques et la géométrie.  La pensée militaire de Puységur est analysée dans le contexte militaire et intellectuel du XVIIIe siècle.


title: Multiple Input Multiple Output (MIMO) Radar Detection of Moving Targets on the Ocean Surface

title: Radar MIMO pour la détection de cibles en mouvement à la surface de l'océan

subject:
MIMO
Radar
Orthogonal waveforms
Virtual array

abstract:
A navy ship must be able to accurately detect closely spaced surface targets in a cluttered environment for collision avoidance as well as to combat threats such as fast attack craft or submarine periscopes. Detecting surface targets becomes increasingly difficult when there are multiple threats inbound from different bearings or when a higher sea state is present. Current technology used in many navies around the world for surface target detection is an active phased array radar or a navigation radar. MIMO radar differs from current technology by using orthogonal waveforms on transmission which allows it to form a virtual array and conduct beamforming on reception. These differences introduce many advantages, but also some critical design considerations.
This thesis evaluates the performance of a naval radar in a cluttered environment using both a conventional phased array radar and a MIMO radar. A Simulink-based simulation model as well as a prototype MIMO radar system were designed and developed to measure returns from surface targets. Using these models, MIMO beamforming theory is validated and compared with a phased array radar. The effects of Doppler induced by moving targets on a MIMO radar over a longer coherent processing interval is also examined, highlighting the importance of selecting the operating frequency of the radar and the necessary design considerations that must be considered for detecting a target with radial velocity. A MIMO radar can search an entire area in only a few simultaneous orthogonal pulses and can provide the same or better level of accuracy than a phased array radar while providing a greater refresh rate. The experimental and simulation results show that a MIMO radar can augment or replace a phased array radar in detecting surface targets on the ocean.

abstract:
Un navire de la marine doit être en mesure de détecter avec précision des cibles de surface rapprochées dans un environnement encombré pour éviter les collisions et lutter contre les menaces telles que les engins d'attaque rapide ou les périscopes sous-marins. La détection des cibles de surface devient plus difficile quand il y a plusieurs menaces entrantes provenant de différents paliers ou quand la mer est trop agitée. La technologie actuelle utilisée dans de nombreuses marines au monde pour la détection de cibles de surface est le radar à balayage électronique actif ou le radar de navigation à rotation mécanique. Le radar MIMO diffère de la technologie actuelle en utilisant des formes d'ondes orthogonales en transmission qui lui permettent de former un réseau virtuel à formation de faisceaux en réception. Ces différences présentent de nombreux avantages, mais aussi des considérations de conception critiques.
Cette thèse permet d’évaluer les performances d'un radar naval dans un environnement encombré à l'aide à la fois d'un radar conventionnel à balayage électronique et d'un radar MIMO. Un modèle de simulation basé sur le logiciel Simulink ainsi qu’un bon d’essai expérimental ont été conçus et développés pour acquérir des cibles de surface marine. En utilisant ces modèles, la théorie de la formation de faisceau MIMO est validée et comparée à un radar à balayage électronique. La détection d’une cible mobile et l’effet Doppler qui en résulte sont également examinés, soulignant l'importance de sélectionner la fréquence de fonctionnement du radar et les considérations de conception nécessaires pour détecter une cible à vitesse radiale. Un radar MIMO peut rechercher une zone entière en transmettant seulement quelques impulsions orthogonales simultanées et peut fournir un niveau de précision et taux de rafraîchissement meilleur qu'un radar à balayage électronique. Les résultats expérimentaux et de simulation montrent qu'un radar MIMO peut augmenter ou remplacer un radar à balayage électronique pour détecter des cibles de surface sur l'océan.


title: STRUCTURAL MONITORING OF A 10M FIBRE REINFORCED POLYMER BRIDGE SUBJECTED TO SEVERE DAMAGE

title: SURVEILLANCE DE L’ETAT DE LA STRUCTURE D’UN PONT EN POLYMERE RENFORCE DE FIBRES DE 10 M LOURDEMENT ENDOMMAGE

subject:
Structural Monitoring
FRP
Bridge
SHM

abstract:
Structural Health Monitoring (SHM) is a field of growing importance in Civil Engineering and its use has grown significantly during the past decade.  The ability to monitor structures and assess their structural integrity has become increasingly important as many North American structures approach the end of their design lives.  Actively monitoring structures such as bridges can have great benefits not only in civilian but also in military applications.  When deployed on military operations, troops are often faced with the need to use bridges that are damaged, poorly constructed or designed for smaller loads than required by the operation.  The ability to monitor these bridges and review real-time response of the structure under load can save time, energy, money and reduce the risk of injury to deployed troops and damage to the infrastructure.
The 10 m Fibre Reinforced Polymer (FRP) box beam bridge used for this investigation was developed and constructed at the Royal Military College of Canada for research on temporary deployable bridges.  During this study, the quasi-static and dynamic behaviour of the bridge was investigated under laboratory conditions to determine if damage could be detected with a simple wireless monitoring system through shifts in the bridge’s frequency.  Incremental damage was done to the bridge as both quasi-static and dynamic testing was completed at each damage stage.  Using instrumentation such as strain gauges and accelerometers, the data was collected and processed so it could be analyzed in both time and frequency-domains.
From dynamic testing and the use of wired and wireless accelerometers and strain gauges, it was determined, using time and frequency-domain analyses that damage to supportive structural members caused significant shifts in the frequency of the structure.  The use of the Fast Fourier Transform (FFT) on the experimental data allowed for a frequency reduction of 21% to be easily observed over 18 damage stages which included both major and minor structural components that caused a reduction up to 45% in the bridge stiffness under static loads.
Using commercial Finite Element Analysis (FEA) software, SAP2000 and ANSYS, the bridge was modelled to represent different levels of damage and the response of the model to both static and dynamic loading was observed.  It was determined that both modeling programs produced results that appropriately represented the experimental behaviour.  It was shown that the bridge response to different severe damage stages could be adequately predicted using commercially available FEA software.

abstract:
La surveillance de l’état des structures (SES) est un domaine en plein essor qui prend de plus en plus d’importance depuis une décennie en génie civil. La capacité de surveiller des structures et d’évaluer leur intégrité structurale revêt effectivement une importance croissante en Amérique du Nord, où beaucoup de structures approchent  la fin de leur durée de vie utile. La surveillance active de structures telles que les ponts offre des avantages considérables pour des applications civiles et militaires. Lorsqu’ils participent à des opérations militaires en déploiement, les militaires sont souvent appelés à emprunter des ponts endommagés, mal construits ou conçus pour supporter des charges plus faibles que ce qu’exige l’opération en cours. La capacité de surveiller ces ponts et d’étudier en temps réel le comportement sous chargement permet de gagner du temps et d’économiser de l’énergie et de l’argent, en plus de réduire les risques de blessure pour les troupes déployées et d’éviter d’endommager l’infrastructure.
Un pont à poutres-caisson en polymère renforcé de fibres (PRF) de 10 m utilisé pour la présente étude a été conçu et érigé au Collège militaire royal du Canada dans le cadre de la recherche sur les ponts temporaires. Au cours de cette étude, le comportement quasi statique et dynamique du pont en conditions de laboratoire a été étudié afin de déterminer s’il était possible de détecter des dommages au moyen d’un simple système de surveillance sans fil sensible aux altérations de la fréquence du pont. Des dommages ont été infligés au pont successivement, chaque étape étant suivie d’essais quasi statiques et dynamiques. À l’aide d’instruments tels que des extensomètres et des accéléromètres, les données recueillies ont été traitées afin d’effectuer une analyse dans le temps et fréquentielle.
Les essais dynamiques ont permis de déterminer, au moyen d’analyses dans le temps et fréquentielles, que les dommages infligés aux éléments structuraux de soutien provoquaient d’importantes altérations de la fréquence de la structure. Le traitement des données expérimentales par transformation de Fourier rapide (TFR) a permis d’observer aisément une réduction de la fréquence de 21 % au fil des 18 étapes d’endommagement qui touchaient des éléments structuraux majeurs et mineurs et qui ont entraîné une réduction atteignant jusqu’à 45 % de la rigidité du pont sous chargement statique.
À l’aide de logiciels commerciaux d’analyse par éléments finis (AEF), SAP2000 et ANSYS, le pont a été modélisé à différents niveaux d’endommagement afin d’observer la réaction du modèle sous chargement statiques et dynamiques. Les deux logiciels de modélisation ont produit des résultats qui représentaient fidèlement le comportement observé expérimentalement. Il a ainsi été démontré que le comportement du pont aux diverses étapes d’endommagement grave pouvait être prédite de façon adéquate au moyen de logiciels d’AEF disponible dans l’industrie.


title: Implementing Autonomous Unmanned Aerial Vehicle Tactics on Quadrotor Aircraft Using Linear Model Predictive Control

title: Implémentation de tactiques de drones autonomes sur des quadrirotors en utilisant une approche par commande prédictive linéaire

subject:
Autonomous robotics
Cooperative robotics
Unmanned aerial vehicle
Linear model predictive control

abstract: UAVs are gaining great interest due to their wide area of applications in the military and civilian fields. Applying these UAVs autonomously and in a decentralized manner to the accomplishment of various tasks is a growing trend in the field of cooperative robotics. Among these challenging  group tasks we find certain UAV tactics, such as dynamic encirclement and formation flights, operating under the umbrella of  safe and robust tactic switching. Dynamic encirclement is defined as the situation in which a target is isolated and surrounded by a UAV team in order to maintain awareness and containment of it. Formation flights allow for line abreast, triangle or cross formations while in flight, during which the team members match distance and speed with the others. In this thesis, the problem of switching from formation flights to dynamic encirclement is considered, and a decentralized Linear Model Predictive Control (LMPC) strategy is formulated. Other control techniques  such Taylor series linearization (TSL) and Feedback Linearization (FL) are used to linearize the complex tactics models.  It is shown, through simulation results and experimental validation, that the designed control policy is effective for a team of N UAVs in formation flights switching to dynamic encirclement of a stationary and moving target. With real-world flight tests, the Qball-X4 quadrotor aircraft is used as a validation platform.

abstract:
Les drones, appliqu és aux domaines civiles et militaires, ont suscit és un int erêt
croissant  à cause de leur potentiel. L'utilisation des drones, d'une fa çon autonome et
d écentralis ée, pour l'accomplissement de taches vari ées est une tendance croissante
dans la communaut é de la robotique coop erative. Parmi ces taches complexes, on
trouve des tactiques de drones, tels que l'encerclement dynamique et les vols en formations,
o u les v éhicules accomplissent un transfert stable et robuste d'une tactique
 à l'autre. Limiter le mouvement et avoir conscience d'une cible est consid er é comme
partie int egrante de l'encerclement dynamique. Les vols en formations, tels que ligne
de front, triangle et croix, permettent aux membres de l' équipe de maintenir les distances
et les vitesses requises par rapport aux autres. Dans ce m emoire, le probl ème
de transfert stable des vols en formation  à l'encerclement dynamique est consid er é
et une strat egie de commande pr édictive lin eaire est formul ée. Autres techniques
de controles, telles que la lin earisation par s eries de Taylor et la lin earisation par
r etroaction, sont employ ées pour simplifi er les mod èles non-lin eaires repr esentants les
tactiques. Il est d emontr é,  à travers des r esultats en simulation et des validations
exp érimentales, que la politique de controle propos ée est e fficace pour une  equipe de
N drones qui changent de vols en formation  à encerclement dynamique. Par rapport
aux vols exp erimentaux, le quadrirotor Qball-X4 est utilis é.


title: REINFORCEMENT LEARNING APPROACHES TO FLOCKING WITH FIXED-WING UAVS IN A STOCHASTIC ENVIRONMENT

title: APPROCHES D'APPRENTISSAGE PAR RENFORCEMENT POUR LES ESSAIMS DE DRONES  A VOILURE FIXE DANS LES ENVIRONNEMENTS STOCHASTIQUES

subject:
Reinforcement Learning
Q-learning
Dyna-Q
Flocking
Unmanned Aerial Vehicles

abstract: In the past two decades, unmanned aerial vehicles (UAVs) have demonstrated their efficacy in supporting both military and civilian applications, where tasks can be dull, dirty, dangerous, or simply too costly with conventional methods. Many of the applications contain tasks that can be executed in parallel, thus can benefit in terms of effectiveness from deploying multi-UAVs working together as a force multiplier. However, to do so requires autonomous coordination among the UAVs, similar to swarming behaviors seen in animals and insects. This research looks at flocking with fixed-wing UAVs in the context of a model-free reinforcement learning problem, structured as a Markov decision process. The advantage of a model-free approach is that it can be applied to different platforms without the plant and disturbance models, which implies greater adaptability to changing environments and unforeseen situations. We propose two learning approaches that enable the agents, modeled as small fixed-wing UAVs, to learn control policies that facilitate flocking in a leader-follower topology, while operating in a non-stationary stochastic environment. The first approach is based on Peng's Q($\lambda$) with a variable learning parameter, which learns through direct reinforcement learning. The second approach is based on Sutton's Dyna-Q where on-line learning, model learning, and planning are integrated to improve sample efficiency. Our approaches are compared to existing works by evaluating the respective policies at maintaining the desired flocking behavior according to a cost function. Simulation results demonstrate that with the two proposed learning approaches, the agents are able to learn policies that facilitate flocking with a single leader, more importantly, the agents are able to adapt their policies to non-stationary stochastic environments.

abstract: Au cours des deux dernières décennies, les drones ont démontré leur efficacité au soutien d’applications tant militaires que civiles, où les tâches sont souvent ennuyeuses, dangereuses, ou tout simplement trop coûteuses avec des méthodes classiques. La plupart des applications contiennent des tâches qui peuvent être exécutées en parallèle. Ces tâches peuvent donc bénéficier d’un gain d’efficacité par le déploiement de plusieurs drones travaillant ensembles comme multiplicateur de force. Cependant, pour ce faire, il faut une coordination autonome parmi les drones, semblable à la formation en volée observée chez les animaux et les insectes. Cette recherche porte sur la formation en volée de drones à voilure fixe dans le contexte d'un problème d'apprentissage par renforcement sans modèle, structuré comme un processus de décision markovien. L'avantage d'une approche sans modèle est qu'elle peut être appliquée à différentes plates-formes sans modèle environnemental, ce qui implique une plus grande adaptabilité à l'évolution de l’environnement et aux situations imprévues. Nous proposons deux méthodes d'apprentissage qui permettent aux agents, modélisés comme des petits drones à voilure fixe, d’apprendre les politiques de contrôle qui facilitent la formation en volée dans une topologie meneur-suiveur, tout en fonctionnant dans un environnement stochastique non stationnaire. L'algorithme dans la première approche est basé sur la méthode d’apprentissage Q ($\lambda$) de Peng avec un paramètre d'apprentissage variable. Le second algorithme est basé sur la méthode Dyna-Q de Sutton où l'apprentissage en ligne, l'apprentissage du modèle, et la planification sont intégrés pour améliorer l'efficacité de l'utilisation des échantillons, ce qui accélère le processus d'apprentissage. Nos approches sont comparées à des œuvres existantes par l’évaluation des politiques respectives au maintien de la formation en volée selon une fonction de coût. Les résultats des simulations démontrent que pour les deux approches proposées, les agents ont appris des politiques qui facilitent la formation en volée. De plus, les agents ont pu adapter leurs politiques aux environnements stochastiques non stationnaires.