identifier: Badkoubeh-Hazave, A. (2015). Infinite-Dimensional Modelling and Control of a MEMS Deformable Mirror with Applications in Adaptive Optics  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le contrôle de déformation est un problème émergent dans les micro structures intelligentes. Une des applications type est le contrôle de la déformation de miroirs dans l'optique adaptative dans laquelle on oriente la face du miroir selon une géométrie précise en utilisant une gamme de micro-vérins afin d'éliminer la distortion lumineuse. Dans cette thèse, le problème de la conception du contrôle du suivi est considéré directement avec les modèles décrits par des équations aux dérivées partielles définies dans l'espace de dimension infinie. L'architecture du contrôleur proposée se base sur la stabilisation par retour des variables et le suivi des trajectoires utilisant la théorie des systèmes différentiellement plats. La combinaison de la commande par rétroaction et la planification des trajectoires permet de réduire la complexité de la structure du contrôleur pour que ce dernier puisse être implémentée dans les microsystèmes avec les techniques disponibles de nos jours. Pour aboutir à une architecture implémentable dans les applications en temps réel, la fonction de Green est considérée comme une fonction de test pour concevoir le contrôleur et pour représenter les trajectoires de référence dans la planification de mouvements.  ABSTRACT: Deformation control is an emerging problem for micro-smart structures. One of its exciting applications is the control of deformable mirrors in adaptive optics systems, in which the mirror face-sheet is steered to a desired shape using an array of micro-actuators in order to remove light distortions. This technology is an enabling key for the forthcoming extremely large ground-based telescopes. Large-scale deformable mirrors typically exhibit complex dynamical behaviors mostly due to micro-actuators distributed in the domain of the system which in particular complicates control design. A model of this device may be described by a fourth-order in space/second-order in time partial differential equation for the mirror face-sheet with Dirac delta functions located in the domain of the system to represent the micro-actuators. Most of control design methods dealing with partial differential equations are performed on lumped models, which often leads to high-dimensional and complex feedback control structures. Furthermore, control designs achieved based on partial differential equation models correspond to boundary control problems. In this thesis, a tracking control scheme is designed directly based on the infinite-dimensional model of the system. The control scheme is introduced based on establishing a relationship between the original nonhomogeneous model and a target system in a standard boundary control form. Thereby, the existing boundary control methods may be applicable. For the control design, we apply the tool of differential flatness to a partial differential equation system controlled by multiple actuators, which is essentially a multiple-input multiple-output partial differential equation problem. To avoid early lumping in the motion planning, we use the properties of the Green's function of the system to represent the reference trajectories. A finite set of these functions is considered to establish a one-to-one map between the input space and output space. This allows an implementable scheme for real-time applications. Since pure feedforward control is only applicable for perfectly known, and stable systems, feedback control is required to account for instability, model uncertainties, and disturbances. Hence, a stabilizing feedback is designed to stabilize the system around the reference trajectories. The combination of differential flatness for motion planning and stabilizing feedback provides a systematic control scheme suitable for the real-time applications of large-scale deformable mirrors.


identifier: Legros, C. (2015). Étude de la stabilité d'un avion BWB (Blended Wing Body) de 200 passagers  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le Blended Wing Body (BWB) est un type d'avion innovant, basé sur le concept d'aile volante. Ce nouveau type d'avion présente de nombreux avantages par rapport aux avions conventionnels : économie de carburant et réduction du poids de la structure, réduction du bruit et de l'impact sur l'environnement, augmentation de la capacité d'emport. Cependant, ce type d'appareil possède un manque de stabilité du fait de l'absence d'empennage. Plusieurs études de stabilité ont déjà été réalisées sur des modèles de BWB de taille réduites, mais il n'existe pas d'étude de stabilité sur un BWB de 200 passagers. C'est pourquoi, l'objectif principal de cette étude consiste donc à intégrer au design conceptuel existant du BWB de 200 passagers les moteurs ainsi que leurs supports en analysant leur impact sur sa stabilité statique et dynamique. La conception du BWB a été réalisée à l'aide de la plateforme de design CEASIOM. L'avion ainsi que l'intégration des supports et moteurs ont été obtenus dans le module géométrique AcBuilder de CEASIOM. Les différents coefficients aérodynamiques sont calculés grâce au programme TORNADO. Ces coefficients permettent de réaliser les calculs de stabilité, notamment à l'aide des matrices longitudinale et latérale de stabilité. Par la suite, l'enveloppe de vol du BWB est créée en se basant sur les données aéronautiques d'un avion similaire, l'Airbus A320. De cette enveloppe de vol, on récupère plusieurs milliers de points de vol possibles. La dernière étape consiste à vérifier la stabilité statique et dynamique, notamment à l'aide des matrices longitudinale et latérale de stabilité et des Flying Qualities Requirements, pour chaque point de vol. Afin de valider notre étude de stabilité, les études de stabilité du B-747 déjà existantes seront utilisées et comparées avec notre modèle.  ABSTRACT: The Blended Wing Body (BWB) is a type of innovative aircraft, based on the flying wing concept. This new type of airplane shows several advantages compared to the conventional airplanes : economy of fuel, reduction of the weight of the structure, reduction of the noise and less impact on the environment, increased payload capacity. However, this kind of aircraft has a lack of stability due to the absence of vertical tail. Several studies of stability were already realized on reduced size models of BWB, but there is no study on a 200 passengers BWB. That's why, the main objective of this present study is to integrate the engines and theirs pylons into the existing conceptual design of the BWB to analyze of their impact on its static and dynamic stability over the flight envelope. The conception of the BWB was realized with the platform of design CEASIOM. The airplane, the engines and theirs pylons were obtained in the geometrical module AcBuilder of CEASIOM. The various aerodynamic coefficients are calculated thanks to Tornado program. These coefficients allow realizing the calculations of stability, in particular with the longitudinal and lateral matrices of stability. Afterward, the BWB flight envelope is created based on aeronautical data of a similar airplane, the Airbus A320. From this flight envelope, we get back several thousand possible points of flight. The last step is to check the static and dynamic stability, using the longitudinal and lateral matrices of stability and the Flying Qualities Requirements, for every point of flight. To validate our study of stability, the already existing studies of stability of the Boeing 747 will be used and compared with our model.


identifier: Ben Chahed, S. (2015). Mise en oeuvre des aspects de gestion des réseaux définis par logiciels (réseaux SDN)  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'apparition des réseaux définis par logiciels a permis de faciliter la gestion des réseaux en offrant la possibilité de définir leurs politiques sous forme de programmes de contrôle. Ceci décharge les administrateurs du   devoir de configurer chaque équipement à part afin d'implanter une politique donnée. Le programme de contrôle s'exécute sur un contrôleur qui se charge de le compiler pour générer les configurations nécessaires aux équipements afin de mettre en oeuvre les politiques désirées. De nos jours, les contrôleurs permettent de spécifier les aspects de gestion des réseaux sous forme de requis de haut niveau. Ce mémoire porte sur la mise en oeuvre des aspects de gestion des réseaux définis par logiciels. Nous considérons trois aspects, à savoir la composition des points d'acheminement, la garantie et la limitation de la bande passante et le placement de règles génériques.  Les points d'acheminement consistent en des équipements qui permettent d'instaurer des politiques autres que le simple routage des paquets. Ces politiques peuvent inclure le contrôle d'accès ou la détection d'intrusion qui peuvent être implantés moyennant des points d'acheminement à savoir des pare-feu ou des IDS. Les applications déployées sur les réseaux peuvent exiger la garantie ou la limitation de la bande passante afin de garder des performances bien déterminées. Finalement, les règles génériques permettent de définir des politiques globales en associant des actions à des types de paquets bien déterminés. Le type d'un paquet peut être spécifié moyennant un domaine qui est défini sous forme de combinaison de conditions génériques sur les champs des entêtes de ce paquet. Étant donné que notre but est de générer les configurations nécessaires pour l'implantation des aspects de gestion spécifiés sous forme de requis, nous avons défini plusieurs méthodes qui prennent en compte les détails du réseau.  La mise en oeuvre des aspects de gestion de la bande passante et de la composition des points d'acheminement a été faite moyennant un programme linéaire en nombres entiers qui prend en compte la topologie du réseau ainsi que la capacité de chaque équipement compatible SDN. D'autre part, nous avons défini trois méthodes de placement de règles génériques. Nous améliorons le temps d'exécution d'une méthode à l'autre afin de pouvoir nous adapter rapidement aux changements des politiques qui nécessitent une mise en oeuvre immédiate.  Nous avons défini, en premier lieu, une méthode basée sur un programme linéaire multiobjectif en nombres entiers (MOILP). Cette méthode prend en compte les capacités des équipements compatibles SDN et la politique de routage. La deuxième méthode de placement est basée sur le calcul du flot maximum avec un cout minimum et elle permet d'améliorer le temps d'exécution avec une petite baisse des performances. Finalement, nous avons créé un algorithme glouton qui résulte d'une modification de la deuxième méthode. Cet algorithme permet de gagner énormément en terme de temps d'exécution tout en gardant presque les mêmes performances par rapport à la deuxième méthode. Les deux dernières méthodes considèrent également les paramètres du réseau, à savoir les capacités disponibles et la politique de routage. De plus, ils permettent de placer les règles près des sources des paquets appartenant à leurs domaines afin de les traiter plus tôt. Nos méthodes de placement permettent de maximiser le nombre de règles placées dans le cas où les capacités disponibles ne permettraient pas la mise en oeuvre de toutes les règles. Les performances de nos méthodes ont été déterminées en créant un outil qui les implante. La qualité de notre outil permet également de l'intégrer facilement dans un contrôleur existant afin d'enrichir ses fonctionnalités par les aspects traités dans notre outil.  ABSTRACT: SDN is a new paradigm that reduces network management to defining control programs and deploying them on one or many entities known as controllers. Controllers communicate with the rest of SDN compatible equipments in order to install configurations that implement policies within the network. Recent advances enable the specification of networking management aspects through high level requirements regardless of the network details such as physical topology and deployed equipments. These requirements can be processed in the controllers to generate network details wise configurations that implement the requirements within the network.  The purpose of this thesis is to define a set of methods that implement networking aspects within software-defined networks. We mainly consider three aspects, namely bandwidth guarantee and limitation, middleboxes composition and placement of wildcarded rules.  Bandwidth management ensures performances of applications deployed within networks. Middleboxes consist in networking equipments (firewalls, IDS, load balancers…) that enable policies, going beyond simple forwarding, such as access control and intrusion detection. Wider policies may be specified by composing many middleboxes which implies traversing them in a specific order. On the other hand, network-wide policies may be described using wildcarded rules. Such rules associate actions to packets within a specific domain that can be formulated as a combination of wildcarded conditions on headers fields.  The considered aspects may be used to specify a wide range of policies.  We generate configurations implementing middleboxes composition and bandwidth management using an Integer Linear Program. This program considers network topology and available resources such as SDN compatible equipments capacity.  Wildcarded rules placement is done in three methods. We improve execution time from one method to another as we need to fit dynamically changing policies quickly.  First, we defined a multiobjective integer linear program (MOILP) that places rules while considering routing policy and available capacities within SDN compatible equipments. The second placement method is based on the computation of Minimum Cost Maximum Flow. This method allows improving significantly the execution time with a slight performances loss in comparison to the first method. Finally, we defined a greedy placement algorithm that reduces tremendously execution time and keeps nearly the same performances in comparison to the second method. Just as the MOILP based method, the two other methods consider equipments capacities and routing policy. They also tend to place rules near sources of packets within their domains. All three placement methods maximize the number of placed rules in case the available capacity is not sufficient to satisfy all the rules. We created a tool that implements all our methods and can be integrated easily to most of the existing controllers.


identifier: Bessadi, K. (2015). Analyse de la stabilité robuste généralisée par la méthode de l'intégrale de dilatation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis plusieurs décennies, l'étude de la stabilité généralisée des systèmes paramétrés a suscité l'intérêt de beaucoup de chercheurs. Bien qu'il existe à ce jour de nombreuses méthodes permettant l'analyse du confinement des valeurs propres d'une matrice dans des domaines du plan complexe, la majorité n'adresse que des cas particuliers de systèmes, tandis que d'autres, plus générales, souffrent de la difficulté d'utilisation lorsque le nombre de paramètres augmente. Dans ce contexte, il est très intéressant de développer une méthode d'analyse permettant d'adresser tous les types de systèmes, quel que soit le nombre de paramètres. Pour arriver à une solution, une étude approfondie sur les applications gardiennes a été poursuivie. Ceci a permis de les  maîtriser  et d'en sortir une  méthode d'analyse qui permet de juger la robustesse autour d'un point nominal à partir du signe de l'application gardienne. Ainsi, on a entrepris une étude sur la méthode de l'intégrale de dilatation pour apporter une solution au jugement de la positivité d'un polynôme multivariable. On est ainsi parvenu à maitriser cette nouvelle méthode, à relever ses faiblesses et à proposer des améliorations surtout en ce qui concerne la convergence des calculs. Parallèlement, une présentation de la méthode d'intégration de Smolyak a été détaillée. Celle-ci permet de calculer exactement l'intégrale de dilatation des polynômes multivariable tout en réduisant le nombre d'évaluations, surtout lorsque la dimension augmente.  ABSTRACT: The generalized stability of uncertain systems has attracted the interest of many researchers. Although there up to now many methods for analysing the belonging of matrix's eigenvalues inside some areas of the complex plane, the majority address particular cases systems, while others, more general, suffer from difficulty of use when the number of parameters increases. In this context, it becomes very interesting to develop a new method to analyze all linear systems, regardless of the number of parameters. To arrive at a solution, we studied carefully the method of guardian maps. This helped to master this tool and we found an analysis method for judging the robustness around a nominal parameters' configuration from the sign of the guardian map. Afterwards, the dilation integral method has been studied to provide a solution to the judgment of the multivariable polynomial's positivity. We mastered this method, raised its weaknesses and proposed improvements especially with regard to calculation rate of convergence. Meanwhile, a presentation of the Smolyak method was detailed. It calculates exactly the dilation integral of multivariable polynomials while reducing the number of evaluations, especially when the dimension increases. Subsequently, there has been interest in the flight control system of a military aircraft. We presented the control strategy of the Short Period mode.  Then, we gave the closed-loop's dynamics, considering explicitly the mass and the uncertainty centering. Finally, we have tried and tested the new method on the studied system. The results obtained allowed to validate compliance with the specifications regarding constraints on eigenvalues, especially to confirm the ease of use of the new analysis's method.


identifier: Portinari, M. (2015). 2D and 3D Verification an Validation of the Lattice Boltzmann Method  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Durant ces dernières années, la Méthode de Boltzmann sur Réseau (LBM) a gagné beaucoup d'intérêt pour les simulations d'écoulements en dynamique des fluides. Dans ce contexte, le but de ce mémoire est de développer un code LBM pour ensuite le vérifier et le valider pour différents cas de référence, afin d'explorer ses capacités dans plusieurs situations variées et diverses. Le travail est constitué de quatre parties. Premièrement, une revue de la littérature fournit des informations au sujet de l'origine et de l'état de l'art en ce qui concerne le LBM. L'attention est posée en particulier sur les deux procédés qui constituent le coeur de la méthode, notamment collision et propagation. Ils sont décrits avec leurs équations associées. L'accent est aussi mis sur la modélisation de la turbulence avec le LBM. Dans la deuxième partie, les différentes étapes qui caractérisent le développement d'un code LBM sont identifiées et détaillées. En particulier, il y a une focalisation majeure sur la conversion entre un domaine physique et le réseau ainsi que sur l'implémentation des différentes conditions limite. Ensuite est introduit le modèle de collision à temps de relaxation multiples (MRT), qui permet une amélioration en terme de stabilité. La troisième partie présente les résultats issus du code LBM à deux dimensions. D'abord, un écoulement de Poiseuille est simulé et les résultats sont comparés à la solution analytique correspondante. Deux conditions limite différentes sont comparées en terme de précision et une étude sur l'ordre de convergence de la méthode LBM est effectuée. Ensuite, l'écoulement de Couette-poiseuille ainsi que l'écoulement dans une cavité entraînée sont implémentés. Les résultats sont comparés avec leurs correspondants, issus respectivement d'une solution analytique et d'une solution expérimentale. L'écoulement instationnaire autour d'un obstacle est aussi simulé et validé par comparaison avec les résultats obtenus avec une méthode à volumes finis. La quatrième et dernière partie est dédiée aux simulations tri-dimensionnelles. Initialement, les changements liés à un passage de deux à trois dimensions sont décrits. Ensuite, les implémentations de deux écoulements avec gradient de pression sont étudiées et comparées aux solutions analytiques correspondantes. Une étude sur l'ordre de convergence en trois dimensions est aussi présentée. Successivement, le défi de la modélisation de la turbulence dans le LBM est introduit. Les principaux aspects théoriques du modèle de turbulence LES (Large Eddy Simulation) sont illustrés ainsi que les équations liées. Pour conclure, les résultats issus d'une simulation LBM d'un jet turbulent à section carrée dans une cavité sont présentés et validés en terme de profils de vitesse moyenne et d'intensité turbulente.  ABSTRACT: In the recent years, the Lattice Boltzmann Method has gained credit as a valuable tool for fluid dynamic simulations. In this context, this thesis aims to verify and validate a developed LBM implementation for several test cases accounting for various flow regimes. The present work is divided in four parts. At first, a concise literature review provides information about the origin and state of the art of the LBM, with particular emphasis on turbulence modeling. The collision and streaming processes, which constitute the core of fluid dynamics modeling within the LBM, are also described, together with the main related equations. In the second part, the different steps for the implementation of a LBM code are identified and detailed. Particular emphasis is put on the steps to undertake when switching from the physical world to a lattice-based domain and on the detailed description of the boundary conditions. The Multiple Relaxation Times collision model, able to enhance the LBM stability,is also introduced. In the third part, results from the developed two-dimensional LBM implementation are presented. Firstly, the Poiseuille flow is simulated and compared to the corresponding analytical solution. Two different boundary conditions are compared in terms of accuracy, and a study on the order of convergence is performed. Then, the Couette-Poiseuille and lid-driven cavity flows are implemented and compared to analytical and experimental results respectively. The unsteady flow past a square obstacle is also presented and validated by comparison to results obtained with the Finite Volume Method. The fourth and last part is dedicated to three-dimensional simulations. Firstly, the main changes with respect to a two-dimensional implementation are outlined. Then, two pressure driven, steady, three-dimensional flows are simulated and the results compared to analytical solutions. A study on the order of convergence of the three-dimensional LBM is also presented. Later, the challenge of turbulence modeling within the LBM is introduced. The main theoretical aspects of the Large Eddy Simulation turbulence model are outlined. Lastly, the results of a three-dimensional simulation of a turbulent square jet in a cavity are compared to experimental results in terms of average velocity profiles and turbulence intensities.


identifier: Ammara, R. (2015). Systematic Equipment Performance Analysis of a Kraft Process Through New and Adapted Key Performance Indicators  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie des pâtes et papiers occupe une place importante dans l'économie du Canada et est un acteur clé quant à la croissance de son produit intérieur brut [1]. De plus, l'industrie papetière crée plus de 320 000 emplois directs et indirects pour les Canadiens [1]. Toutefois, cette industrie est l'une des plus grandes consommatrices d'énergie, consommant environ 30 % de l'énergie totale utilisée par les industries manufacturières canadiennes [2]. Cependant, au cours des deux dernières décennies, l'industrie des pâtes et papiers a été confrontée à une crise sans précédent en raison de la concurrence des économies émergentes comme l'Inde et la Chine, des règlementations environnementales strictes et contraignantes et des prix élevés des énergies. Parce que l'énergie est une composante importante des coûts de production (environ 25% des couts de production), pour rester compétitives, les papetières se voient donc obligées de réexaminer leur procédé afin de réduire leurs factures énergétiques et leurs consommations d'eau et de produits chimiques et ainsi ne pas perdre leur position concurrentielle. En outre, le secteur a réduit sa consommation d'énergie en moyenne de 1 % par an depuis 1990 [3]. De ce fait, plusieurs techniques d'intégration de procédés existent. Elles se basent sur des approches conceptuelles et graphiques ou encore mathématiques. Ces méthodes d'optimisation et d'intégration de procédé appliquées sur des usines canadiennes ont donné des résultats intéressants. Toutefois, dans la plupart des méthodes actuelles d'optimisation de procédé, il est assumé que les équipements dans l'usine opèrent efficacement. En réalité, ceci n'est pas toujours le cas ; ce qui peut fausser les résultats d'une analyse de performance. Par conséquent, l'analyse de performance des opérations unitaires du procédé est une étape préliminaire importante avant toute mesure d'intégration. En fait, les équipements ayant une mauvaise performance peuvent augmenter la demande globale du procédé en énergie et en matière et discréditer les résultats des procédures d'intégration. L'objectif principal de cette thèse est de développer, d'appliquer et ensuite de valider une méthodologie systématique d'analyse de performance des équipements du procédé Kraft, en termes d'énergie, d'eau et d'utilisation de produits chimiques à l'aide de nouveaux indicateurs de performance. La méthodologie s'articule autour de quatre étapes successives à travers desquelles les opérations unitaires sont examinées pour évaluer comment leurs besoins énergétiques, d'eau et des produits chimiques peuvent être réduits en augmentant leurs propres performances. La méthodologie comprend: (i) le développement et le calcul des indicateurs de performance clés pour chaque unité opératoire, (ii) l'identification des écarts importants par rapport au rendement cible et donc la localisation d'un mauvais fonctionnement et, (iii) le diagnostique des causes d'inefficacité et des recommandations de mesures correctives. Les techniques existantes pour évaluer la performance des équipements considèrent l'utilisation efficace d'énergie et d'eau. La présente étude considère l'utilisation de l'eau, l'énergie et les produits chimiques au sein du procédé. En outre, il prend en compte les interactions entre les opérations unitaires et plus d'un indicateur clé est utilisé pour évaluer la performance des équipements. Une étude de ce type n'a jamais été effectuée sur une usine Kraft Canadienne. Ce qui rend cette étude originale tant d'un point de vue méthodologie que résultats obtenus. Dans un premier temps, la réconciliation de données et la détection des erreurs grossières sont effectués pour produire un modèle fiable du procédé étudié pour ainsi obtenir des résultats cohérents et sûrs lors d'une analyse de performance. La réconciliation des données et la détection des erreurs grossières ont également été utilisées pour localiser et identifier les opérations unitaires présentant des inefficacités. La réconciliation et la détection des erreurs grossières sont considérés dans cette étude comme premiers indicateurs de performance. Une analyse de l'efficacité exégétique a été effectuée afin d'identifier les opérations unitaires thermodynamiquement inefficaces. L'efficacité exégétique est l'indicateur clé pour l'utilisation de l'énergie. Une fois ces deux analyses effectuées, les opérations unitaires soupçonnées d'avoir de mauvaises performances sont identifiées. Ces opérations unitaires sont ensuite analysées avec un ou plusieurs indicateurs de performance qui leur sont spécifiques, développés suite à une analyse adimensionnelle autour des unités opératoires clés, et enfin des projets d'amélioration sont proposés suite aux diagnostics établis. Enfin, l'intérêt de cette méthodologie est démontré dans le cas d'une usine de pâte kraft située dans l'Est du Canada. L'usine produit une moyenne de 280 adt / j de pâte à partir de laquelle du papier journal est fabriqué. La méthodologie a été démontrée pour être en mesure d'améliorer l'efficacité globale du procédé en termes d'utilisation d'énergie, d'eau et des produits chimiques.  ABSTRACT: The Canadian pulp and paper sector is an important key player in the country's economic growth and gross domestic product [1], providing over 320, 000 direct and indirect employment opportunities for Canadians [4]. Pulp and paper industry in Canada is one of the largest energy-consumer amongst all industries in Canada, consuming approximately 30% of the industrial energy [2]. However, during the last two decades, the pulp and paper sector has been facing an unprecedented crisis due to competition from emerging economies like India and China, stringent environmental regulations and high energy prices. Because energy is a significant production-cost component (about 25% of the total production cost), in order to remain competitive, the sector has made efforts towards identifying ways to improve the energy efficiency through implementing energy recovery systems. The sector has also reduced its energy use by an average of 1% annually since 1990 [3]. Despite these improvements, the pulp and paper industry still seeks ways to identify inefficiencies and improve its overall energy and water utilization. Many process integration (PI) techniques have been developed and gave encouraging results. These techniques use both conceptual and mathematical approaches. However, these techniques consider that the unit operations in place function efficiently, which is often not the case in real operating pulp mills. Therefore, analysing the performance of unit operations is an important step prior to any process integration technique. In fact, equipment with poor performance could increase the energy and water demand of the overall process and discredit the results of energy and utility enhancement procedures. The objective of this thesis is to develop, apply and validate a methodology for Kraft process equipment performance analysis in terms of energy, water and chemical utilization by means of new and adapted key performance indicators. The core of the methodology consists in four successive stages through which the unit operations are examined to evaluate how their energy, water and chemical requirements can be reduced by increasing their own performance. The steps comprise: (i) the computation of key performance indicators for each piece of equipment, (ii) the identification of significant deviations from the target performance, and therefore the location of poor performance unit operation and, (iii) diagnosis of the causes of inefficiencies and the proposal of remedial actions. The existing techniques for the evaluation of equipment performance include either energy or water utilization efficiency. The current study considers water, energy and chemical utilization in the process. It also takes into account the interactions between unit operations and uses more than one KPI to evaluate the performance of the process operations. At first, data reconciliation and gross error detection are performed to produce a reliable model of the process studied and obtain reliable results when performing performance evaluation. Initially, data reconciliation and gross error detection are used to locate and identify process leaks and biases. A strong measurement adjustment is considered in this study as a first key performance indicator (KPI). An exergy efficiency analysis is performed to identify poor energy efficiency unit operations. Exergy efficiency is the KPI for energy utilization. Once these two analyses have been performed, a list of unit operations suspected to have poor performance is constructed. These unit operations are further evaluated by means of KPIs developed based on a dimensional analysis and enhancement measures and improvement projects are proposed according to the diagnoses established. The interest of this methodology is demonstrated in the case of an operating Kraft pulp located in Eastern Canada. The mill produces an average of 280 adt/d of pulp from which newsprint is made. The methodology has been demonstrated to be able to improve the overall efficiency of the process in terms of energy, water and chemical utilization through an adequate evaluation of its equipment. This thesis provides mill engineers with a systematic and strategic way to evaluate the performance of their unit operations by means of new KPIs.


identifier: Bélanger, S. (2015). Développement de techniques optiques d'imagerie des structures corticales et sous-corticales  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement de nouvelles techniques d'imagerie fonctionnelle cérébrale, au cours des dernières décennies, a grandement accéléré la recherche en neuroscience. Que ce soit à travers l'imagerie en résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), qui permet l'obtention de cartes indiquant les niveaux d'oxygénation en 3 dimensions, ou l'imagerie optique des signaux intrinsèques (IOI), qui de son côté permet la mesure des changements hémodynamiques à plus haute résolution sur la surface exposée du cortex, la génération de cartes fonctionnelles a permis une meilleure compréhension du cerveau et de son organisation. Toutefois, ces modalités présentent chacune des limitations, rendant l'exploration de certaines régions (ou fonctions) plus complexe. Par exemple, l'imagerie IRMf – BOLD a une résolution de l'ordre du mm3 (ou un peu moins sur les systèmes récents à très haut champ). Or, certaines structures thalamiques peuvent parfois être plus petites que la taille de ces voxels, ce qui est encore plus vrai dans les modèles animaux utilisés en recherche. Dans le cas de l'IOI, la résolution est augmentée, mais la mesure se limite à la surface seulement. Il n'est donc pas possible de rejoindre les structures sous-corticales. Le travail présenté dans cette thèse vise donc le développement d'outils d'imagerie optique permettant la lecture de l'activité cérébrale tant au niveau corticale que sous-cortical. Dans un premier temps, le développement de l'imagerie tomographique par modulation spatiale a été exploré. Cette technique permet la lecture de l'absorption de la lumière en 3 dimensions et a permis l'imagerie de volumes en transmission en temps réel. Toutefois, son utilisation en réflexion, qui est inévitable dans le contexte de l'imagerie du cerveau in vivo, s'est avérée moins efficace, se limitant au mieux à quelques centaines de micromètres de profondeur depuis la surface. Ainsi, le développement d'un deuxième système, le microscope confocal endoscopique (MCE), a été réalisé. Cette modalité utilise un faisceau de plusieurs fibres optiques de petite taille, pouvant être implanté dans le cerveau en limitant les dommages, et donnant un accès optique aux zones profondes du cerveau. De plus, l'imagerie en MCE se fait via la fluctuation de la fluorescence liée à la concentration des ions calciques à l'intérieur de cellules suite à l'injection du marqueur OregonGreen Bapta-1 AM. Cette mesure de l'activité neuronale est beaucoup plus directe comparé à la mesure de l'hémodynamique faite par les techniques mentionnées précédemment. Bien qu'il soit établi que l'activité neuronale a un impact sur les niveaux locaux d'oxygène (donc des concentrations en hémoglobines oxygénée et réduite), le chemin par lequel cette relation s'opère n'est pas encore toutefois maîtrisé. Le troisième volet de cette thèse explore certaines questions liées à cette problématique, avec l'utilisation d'un montage permettant l'acquisition IOI synchronisée à la mesure en fluorescence des signaux calciques.  ABSTRACT: The development of new functional brain imaging techniques in recent decades has greatly accelerated neuroscience research. Whether through functional magnetic resonance imaging (fMRI), which allows the production of maps showing the oxygenation levels in 3 dimensions, or intrinsic signals optical imaging (IOI), which in turn allows measuring hemodynamic changes in higher resolution on the exposed surface of the cortex, the generation of functional maps allowed a better understanding of the brain and its organization. However, these methods each present limitations, making exploration of certain areas (or functions) more complex. With fMRI – BOLD as an example, imaging has a resolution of the order of mm (or a little less on newer systems with very high field). However, some thalamic structures can sometimes be smaller than the size of these voxels, which is even critical in the animal models used in research. In the case of IOI, the resolution is increased but the extent is limited to the surface only. It is thus not possible to join the subcortical structures. The work presented in this thesis aims to develop optical imaging tools for reading brain activity in both cortical and subcortical level. Initially, the development of tomographic imaging spatial modulation was explored. This technique allows the reading of the absorption of light in three dimensions and enables transmission imagery of volumes in real time. However, its use in reflection, which is unavoidable in the context of in vivo brain imaging, was less effective. At best, it was limited to a depth of few hundred micrometers from the surface. Thus, the development of a second system, the endoscopic confocal microscope (ECM), was carried out. This method uses a bundle of several optical fibers of small size, which can be implanted into the brain with limited damage and provide optical access to the deeper areas of the brain. In addition, ECM technique measures the fluorescence fluctuations related to concentration of calcium ions inside cells following injection of OregonGreen Bapta 1-AM dye. This measure of neuronal activity is much more direct compared to the measurement of the hemodynamic made by the aforementioned techniques. Although it is established that the neuronal activity has an impact on local oxygen levels (i.e. concentrations of oxygenated and reduced haemoglobin), the way in which this relationship occurs is however not yet mastered. The third part of this thesis explores some issues related to this problem, with the use of a bi-modal acquisition system based on IOI and fluorescence imaging to measure hemodynamics and calcium variations in a synchronised fashion.


identifier: Sharafi Tafreshi Moghaddam, A. (2015). MRI-Based Communication with Untethered Intelligent Medical Microrobots  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les champs magnétiques présent dans un système clinique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) peuvent être exploités non seulement, afin d'induire une force de déplacement sur des microrobots magnétiques tout en permettant l'asservissement de leur position - une technique connue sous le nom de Navigation par Résonance Magnétique (NRM), mais aussi pour mettre en œuvre un procédé de communication. Pour des microrobots autonomes équipés de senseurs ayant un certain niveau d'intelligence et opérant à l'intérieur du corps humain, la puissance de transmission nécessaire pour communiquer des informations à un ordinateur externe par des méthodes présentement connues est insuffisante. Dans ce travail, une technique est décrite où une telle perte de puissance d'émission en raison de la mise à l'échelle de ces microrobots peut être compensée par le scanner IRM agissant aussi comme un récepteur très sensible. La technique de communication prend la forme d'une modification de la fréquence du courant électrique circulant le long d'une bobine miniature incorporé dans un microrobot. La fréquence du courant électrique peut être réglée à partir d'une entrée de seuil prédéterminée du senseur mis en place sur le microrobot. La fréquence devient alors corrélée à l'information de l'état du senseur recueilli par le microrobot et elle est déterminée en utilisant l'IRM. La méthode proposée est indépendante de la position et l'orientation du microrobot et peut être étendue à un grand nombre de microrobots pour surveiller et cartographier les conditions physiologiques spécifiques dans une région plus vaste à n'importe quelle profondeur à l'intérieur du corps.  ABSTRACT: The magnetic environment provided by a clinical Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanner can be exploited to not only induce a displacement force on magnetic microrobots while allowing MR-tracking for serving control purpose or positional assessment - a technique known as Magnetic Resonance Navigation (MRN), but also for implementing a method of communication with intelligent microrobots. For untethered sensory microrobots having some level of intelligence and operating inside the body, the transmission power necessary to communicate information to an external computer via known methods is insufficient. In this work, a technique is described where such loss of transmission power due to the scaling of these microrobots can be compensated by the same MRI scanner acting as a more sensitive receiver. A communication scheme is implemented in the form of a frequency alteration in the electrical current circulating along a miniature coil embedded in a microrobot. The frequency of the electrical current could be regulated from a predetermined sensory threshold input implemented on the microrobot. Such a frequency provides information on the level of sensory information gathered by the microrobot, and it is determined using MR imaging. The proposed method is independent of the microrobot's position and orientation and can be extended to a larger number of microrobots for monitoring and mapping specific physiological conditions inside a larger region at any depths within the body.


identifier: Shahvarpour, A. (2015). Biomechanical Response of Trunk Under Perturbations and in Challenged Seated Balance  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les maux de dos sont reconnus comme un problème de santé répandu et ayant un grand impact socio-économique. Des programmes de prévention, de réadaptation et de traitement devraient être fondés sur une bonne compréhension des fonctions neuro-biomécaniques de la colonne vertébrale dans des conditions normales et de blessure. En raison de difficultés techniques, de coûts excessifs et des enjeux éthiques aux mesures in vivo et in vitro, la modélisation biomécanique a été reconnue comme un outil complémentaire et puissant à cet égard. Une perturbation du tronc qui peut se produire lors du chargement/déchargement soudain ou le déplacement rapide du tronc (ex. chutes et glissades) a été identifié comme un facteur de risque de mal de dos. Les effets d'inertie ainsi que les grandes réponses réflexives des muscles ont le potentiel de générer des charges vertébrales excessives qui peuvent causer des blessures à la colonne vertébrale. En effet, le risque de blessure augmente dans les cas ayant une faible marge de stabilité ou une réponse réflexive neuromusculaire altérée. La rigidité intrinsèque des tissus passifs et des muscles préactivés ainsi que les réponses réflexives de ces muscles permettraient d'améliorer la stabilité et l'équilibre du tronc. Les charges produisant la perturbation, les conditions préexistantes ainsi qu'un dysfonctionnement dans le contrôle des rigidités intrinsèques et réflexives influencent les forces musculaires et les charges imposées sur la colonne vertébrale. L'équilibre postural du tronc en position assise instable a été suggérée autant en réadaptation que pour l'étude des mécanismes de contrôle neuromusculaire de la colonne vertébrale. L'avantage de cette tâche ou exercice pour l'étude de la stabilité de la colonne vertébrale est qu'elle permet d'éliminer l'apport des membres sur le contrôle de la colonne vertébrale en positon assise. En d'autres mots, seul le mouvement de la colonne lombaire permet de rétablir l'équilibre, ce qui en fait une tâche très spécifique. Puisque les réponses réflexes des muscles sont essentielles au contrôle de la colonne vertébrale, un contrôle altéré en raison de la douleur ou d'un dysfonctionnement neuromusculaire peut causer de plus grandes forces réflexives et charges sur la colonne vertébrale qui peuvent augmenter le risque de blessure. Il est important d'estimer les charges sur la colonne vertébrale afin d'évaluer la sécurité relative de cette tâche autant chez des sujets sains que chez des sujets lombalgiques.  ABSTRACT: Back pain is known as a prevalent health crisis with large socioeconomic impact on societies. Effective prevention, rehabilitation and treatment programs should be founded on solid understanding of the spine functional neuro-biomechanics in normal and injured conditions. Due to technical difficulties, excessive cost and ethical concerns with in vivo and in vitro measurements, in silico biomechanical modeling has been recognized as a complementary and powerful tool in this respect. Trunk perturbation that may happen in sudden loading/unloading or rapid displacement of trunk (during falls and slips for example) has been found as a risk factor for back pain. Inertial effects as well as large reflexive response of muscles could generate excessive spinal loads that may cause back pain or spinal injuries. The risk of injury further increases in cases with low margin of stability or impaired neuromuscular reflex response. Intrinsic stiffness of passive tissues and active muscles along with muscles reflexive responses have been suggested as the mechanisms that enhance stability and balance of the trunk. Perturbation load, pre-perturbation conditions as well as dysfunction in any of active-passive mechanisms alter their contributions in balance control and as a result influence muscle forces and spinal loads. The risk of pain and injury likely increases as well. Challenged sitting has been suggested as an approach for therapeutic applications as well as investigation of the neuromuscular control mechanisms of spine. The advantage of this method in studying spine stability is in eliminating the effect of lower extremities that are fixed to the seat on the control of the spine in seated subjects. Since muscle reflex responses are essential in control of the trunk, impaired control due to pain or neural dysfunction cause larger reflexive forces and spinal loads that may increase the risk of injury and pain. It is important to estimate the spinal loads in order to assess the relative safety of a task for both healthy and chronic low back pain (CLBP) groups. Three objectives are set in this study. The first one is to determine the effect of pre-perturbation conditions and perturbation load magnitude on the spine biodynamics response subject to sudden loads.


identifier: Imanpour, A. (2015). Seismic Response and Design of Steel Multi-Tiered Concentrically Braced Frames  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les contreventements concentriques en treillis à multiples segments (CCMS) sont des contreventements constitués de diagonales formant deux ou plusieurs panneaux qui sont superposés sur la hauteur du contreventement. Les CCMS sont couramment utilisés en Amérique du Nord afin d'offrir une résistance latérale pour les bâtiments d'un seul étage de grande hauteur,comme les bâtiments industriels, les installations sportives, les centres de congrès ou les hangars d'avion. Dans ces structures, la configuration CCMS est préférable puisque l'utilisation de diagonales de contreventement simples partant des fondations jusqu'au niveau du toit n'est plus pratique. Dans les CCMS, la longueur et la taille des diagonales sont réduites de manière significative, ce qui est favorable pour rencontrer les limites d'élancement prescrites dans les normes parasismiques. De plus, les colonnes peuvent être considérées comme contreventées latéralement dans le plan du cadre à niveau intermédiaire entre deux panneaux, ce qui contribue également à réduire la taille des poteaux et la quantité requise d'acier. Les colonnes de gravité adjacentes qui sont situées dans le même plan qu'un CCMS peuvent aussi être considérées comme contreventées latéralement en ajoutant des membrures horizontales aux niveaux intermédiaires entre les panneaux. Dans les CCMS, les colonnes sont en général des sections en W orientées de telle sorte que la flexion hors-plan se produise selon l'axe fort de la colonne, permettant ainsi à la colonne de résister au flambement hors plan sur toute la hauteur du cadre.  ABSTRACT: Steel multi-tiered braced frames (MT-BFs) are commonly used in North America to provide lateral resistance for tall single storey buildings such as industrial buildings, sport facilities, convention centers, or airplane hangars. In these structures, MT-BF configuration is preferable, as the use of single bracing members extending from the foundation to the roof level is no longer practical. MT-BFs consist of tall steel braced frames built with multiple bracing panels stacked over the height of the frame. In MT-BFs, brace lengths and sizes are reduced significantly, which is favourable to satisfy the slenderness limits specified in the seismic provisions. Additionally, the columns can be considered as laterally braced in the plane of the frame at every tier point, which also contributes to reducing the steel tonnage. Adjacent gravity columns located along MT-BF lines can similarly be laterally braced by adding horizontal struts at tier levels. In MTBFs, columns are typically I-shaped members oriented such that strong axis bending develops outofplane, so the column can resist out-of-plane buckling over the full building height.


identifier: Tran, T. D. (2015). Études des modèles de cavitation pour la simulation des écoulements cavitants stationnaires et instationnaires  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La cavitation est l'un des phénomènes physiques les plus contraignants influençant les performances des machines hydrauliques. Il est donc indispensable de savoir prédire son apparition et son développement, et de quantifier les pertes de performances qui lui sont associées. L'objectif de cette étude est d'évaluer l'applicabilité des modèles de cavitation basés sur le transfert de masse et de déterminer les paramètres numériques appropriés pour la simulation CFD des écoulements cavitants turbulents. Les simulations CFD ont été réalisées pour les écoulements autour d'un profil hydraulique NACA66, pour les nombres de cavitation de 1.49 et de 1.00, qui correspondent aux deux régimes différents : la cavitation à poches attachées stationnaires (steady sheet cavitation) et la cavitation à poches attachées/nuageuses instationnaires (unsteady sheet/cloud cavitation) en utilisant les modèles de cavitation Kubota et Merkle. Les modèles Merkle et Kubota ont été implémentés dans le solveur ANSYS-CFX par un code de programmation en langage Fortran. Le modèle de cavitation Merkle a donné quelques améliorations pour les résultats de simulation CFD des écoulements cavitants turbulents pour ces cas d'études. La modélisation de la turbulence a également apporté une contribution importante à la qualité des simulations pour la prédiction des écoulements cavitants turbulents de ces cas. La relation entre la modification de la viscosité turbulente, afin de tenir compte de la compressibilité locale aux interfaces des phases liquide et vapeur, et les résultats numériques a été clarifiée. Les limites des techniques actuelles de simulation des écoulements cavitants turbulents sont abordées tout au long du document. Ce travail nous a permis de développer un outil numérique amélioré, validé sur des configurations d'écoulements cavitants complexes, afin d'améliorer la compréhension des mécanismes physiques qui contrôlent les effets instationnaires intervenants dans les mécanismes d'instabilité pour les cas de cavitation à poches attachées/nuageuses instationnaires.  ABSTRACT: Cavitation is one of the most unfavorable physical phenomena influencing the performance of hydraulic machines. It is therefore important to predict correctly its inception and development, in order to quantify the performance drop it induces, and also to characterize the resulting flow instabilities. The objective of this study is to evaluate the applicability of mass transfer cavitation models and determine appropriate numerical parameters for turbulent cavitating flow simulations. CFD simulations were performed for a NACA66 hydrofoil at cavitation numbers of 1.49 and 1.00, corresponding to steady sheet and unsteady sheet/cloud cavitation regimes using Kubota and Merkle cavitation models. The Merkle and Kubota models were implemented into the solver ANSYS CFX by User Fortran code. The Merkle cavitation model is found to give some improvements for cavitating flow simulation results for these cases. Turbulence modeling is also found to have an important contribution to the prediction quality of the simulations. The relationship between the turbulence viscosity modification, in order to take into account the local compressibility at the vapor/liquid interfaces, and the predicted numerical results is clarified. The limitations of the current cavitating flow simulation techniques are discussed throughout the document. This work allows us to achieve an improved numerical tool, validated on complex configurations of cavitating flows, to improve the understanding of the physical mechanisms that control the unsteady effects involved in the mechanisms of instability for the unsteady sheet/cloud cavitation regimes.


identifier: Giraldeau, F. (2015). Analyse de performance de systèmes distribués et hétérogènes à l'aide de traçage noyau  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes infonuagiques sont en utilisation croissante. La complexité de ces systèmes provient du fait qu'ils s'exécutent de manière distribuée sur des architectures multicoeurs. Cette composition de services est souvent hétérogène, c.-à-d. qui implique différentes technologies, librairies et environnements de programmation. L'interopérabilité est assurée plutôt par l'utilisation de protocoles ouverts. L'espace de configuration résultant croît de manière exponentielle avec le nombre de paramètres, et change continuellement en fonction des nouveaux besoins et de l'adaptation de la capacité. Lorsqu'un problème de performance survient, il doit être possible d'identifier rapidement la cause pour y remédier. Or, ce problème peut être intermittent et difficile à reproduire, et dont la cause peut être une interaction transitoire entre des tâches ou des ressources. Les outils utilisés actuellement pour le diagnostic des problèmes de performance comprennent les métriques d'utilisation des ressources, les outils de profilage, la surveillance du réseau, des outils de traçage, des débogueurs interactifs et les journaux systèmes. Or, chaque composant doit être analysé séparément, ou l'utilisateur doit corréler manuellement cette information pour tenter de déduire la cause du problème. L'observation globale de l'exécution de systèmes distribués est un enjeu majeur pour en maitriser la complexité et régler les problèmes efficacement. L'objectif principal de cette recherche est d'obtenir un outil d'analyse permettant de comprendre la performance d'ensemble d'une application distribuée. Ce type d'analyse existe au niveau applicatif, mais elles sont spécifiques à un environnement d'exécution ou un domaine particulier. Nos travaux se distinguent par l'utilisation d'une trace noyau, qui procure un niveau plus abstrait de l'exécution d'un programme, et qui est indépendant du langage ou des librairies utilisées.  La présente recherche vise à déterminer si la sémantique des évènements du système d'exploitation peut servir à une analyse satisfaisante. Le surcout du traçage est un enjeu important, car il doit demeurer faible pour ne pas perturber le système et être utile en pratique. Nous proposons un nouvel algorithme permettant de retrouver les relations d'attente entre les tâches et les périphériques d'un ordinateur local. Nous avons établi que le chemin critique exact d'une application nécessite des évènements qui ne sont pas visibles depuis le système d'exploitation. Nous proposons donc une approximation du chemin critique, dénomée chemin actif d'exécution, où chaque attente est remplacée par sa cause racine. Les approches antérieures reposent sur l'analyse des appels système. L'analyse doit tenir en compte la sémantique de centaines d'appels système, ce qui n'est pas possible dans le cas général, car le fonctionnement d'un appel système dépend de l'état du système au moment de son exécution. Par exemple, le comportement de l'appel système read() est complètement différent si le fichier réside sur un disque local ou sur un serveur de fichier distant. L'appel système ioctl() est particulièrement problématique, car son comportement est défini par le programmeur. Le traçage des appels système contribue aussi à augmenter le surcout, alors qu'une faible proportion d'entre eux modifie le flot de l'exécution. Les tâches d'arrière-plan du noyau n'effectuent pas d'appels système et ne peuvent pas être prises en compte par cette méthode. À cause de ces propriétés, l'analyse basée sur des appels système est fortement limitée. Notre approche remplace les appels système par des évènements de l'ordonnanceur et des interruptions. Ces évènements de plus bas niveau sont indépendants de la sémantique des appels système et prennent en compte les tâches noyau. Le traçage des appels système est donc optionnel, ce qui contribue à réduire le surcout et simplifie drastiquement l'analyse. Les bancs d'essais réalisés avec des logiciels commerciaux populaires indiquent qu'environ 90% du surcout est lié aux évènements d'ordonnancement. En produisant des cycles d'ordonnancement à la fréquence maximale du système, il a été établi que le surcout moyen au pire cas est de seulement 11%. Nous avons aussi réalisé une interface graphique interactive montrant les résultats de l'analyse. Grâce à cet outil, il a été possible d'identifier avec succès plusieurs problèmes de performance et de synchronisation. Le fonctionnement interne et l'architecture du programme sont exposés par l'outil de visualisation, qui se révèle utile pour effectuer la rétro-ingénierie d'un système complexe. Dans un second temps, la dimension distribuée du problème a été ajoutée. L'algorithme de base a été étendu pour supporter l'attente indirecte pour un évènement distant, tout en préservant ses propriétés antérieures. Le même algorithme peut donc servir pour des processus locaux ou distants. Nous avons instrumenté le noyau de manière à pouvoir faire correspondre les paquets TCP/IP émis et reçus entre les machines impliqués dans le traitement à observer. L'algorithme tient en compte que la réception ou l'émission de paquets peut se produire de manière asynchrone. Les traces obtenues sur plusieurs systèmes n'ont pas une base de temps commune, car chacun possède sa propre horloge. Aux fins de l'analyse, toutes les traces doivent être synchronisées, et les échanges apparaitre dans l'ordre de causalité. Pour cette raison, les traces doivent être préalablement synchronisées. L'algorithme a été utilisé pour explorer le comportement de différentes architectures logicielles. Différentes conditions d'opérations ont été simulées (délais réseau, durée de traitement, retransmission, etc.) afin de valider le comportement et la robustesse de la technique. Il a été vérifié que le résultat obtenu sur une grappe d'ordinateurs est le même que celui obtenu lorsque les services s'exécutent dans des machines virtuelles. Le surcout moyen nécessaire pour tracer une requête Web s'établit à 5%. La borne supérieure du surcout pour des requêtes distantes est d'environ 18%. Pour compléter l'analyse, nous avons réalisé des cas d'utilisation impliquant six environnements logiciel et domaines différents, dont une application Web Django, un serveur de calcul Java-RMI, un système de fichier distribué CIFS, un service Erlang et un calcul parallèle MPI. Comme contribution secondaire, nous avons proposé deux améliorations à l'algorithme de synchronisation. La première consiste en une étape de présynchronisation qui réduit considérablement la consommation maximale de mémoire. La deuxième amélioration concerne la performance de la fonction de transformation du temps. Le temps est représenté en nanosecondes et le taux de variation à appliquer doit être très précis. L'utilisation de l'arithmétique à point flottant de précision double n'est pas assez précis et produit des inversions d'évènements. Un couteux calcul à haute précision est requis. Grâce à une simple factorisation de l'équation linéaire, la plupart des calculs à haute précision ont été remplacés par une arithmétique entière 64-bit. Les bancs d'essai ont mesuré que cette optimisation procure une accélération de 65 fois en moyenne et que la précision du résultat n'est pas affectée. Le troisième thème de la recherche porte sur le profilage des segments du chemin d'exécution. L'échantillonnage des compteurs de performance matériel permet le profilage du code natif avec un faible surcout. Une limitation concerne le code interprété qui peut se retrouver dans une application hétérogène. Dans ce cas, le code profilé est celui de l'interpréteur, et le lien avec les sources du programme est perdu. Nous avons conçu une technique permettant de transférer à un interpréteur l'évènement de débordement du compteur de performance, provenant d'une interruption non masquable du processeur. L'analyse de l'état de l'interpréteur peut être effectuée en espace utilisateur. Un module d'analyse pour Python a été développé. Nous avons comparé le cout des méthodes pour obtenir la pile d'appel de l'interpréteur Python et celle du code interprété. Ces données sont sauvegardées par l'entremise de LTTng-UST, dont la source de temps est cohérente avec les traces produites en mode noyau, ce qui permet d'associer les échantillons produits avec le chemin d'exécution. Nous avons validé le profil à l'aide d'une application d'étalonnage. Nous avons mesuré une erreur inférieure à 1%, et ce résultat est équivalent à celui produit par un profileur déterministe. La période d'échantillonnage est établie selon un compromis entre le surcout et la résolution de l'échantillonnage. Nos tests indiquent que, pour un chemin d'exécution de 50ms, une plage de taux d'échantillonnage existe et satisfait à la fois une marge d'erreur inférieure à 5% et un surcout de moins de 10%.  ABSTRACT: Cloud systems are increasingly used. These systems have a complex behavior, because they run on a cluster of multi-core computers. This composition of services is often heterogeneous, involving different technologies, libraries and programming environments. Interoperability is ensured using open protocols rather than standardizing runtime environments. The resulting configuration space grows exponentially with the number of parameters, and constantly changes in response to new needs and capacity adaptation. When a performance problem arises, it should be possible to quickly identify the cause in order to address it. However, performance problems can be intermittent and difficult to reproduce, and their cause can be a transient interaction between tasks or resources. The tools currently used to diagnose performance problems include resource utilization metrics, profiling tools, network monitoring, layout tools, interactive debuggers and system logs. However, each component must be analyzed separately, or the user must manually correlate that information to try deducing the root cause. Observing the performance of globally distributed systems is a major challenge, to master their complexity and solve problems effectively. The main objective of this research is to obtain an analysis tool for understanding the overall performance of a distributed application. This type of analysis exists at the application level, but they are specific to a runtime environment or a particular application domain. To address this issue, we propose to use kernel tracing, which provides a more abstract information about the execution of a program and is independent of the language or the libraries used.  This research aims to determine whether the semantics of the operating system events are effective for performance analysis of such systems. The additional cost of tracing is an important issue because it must remain low, to avoid disturbing the system and be useful in practice. We propose a new algorithm to find the waiting relationships between tasks and devices on a local computer. We established that the exact critical path of an application requires events which are not visible from the operating system. We therefore propose an approximation of the critical path, that we named execution path. Previous approaches rely on system call analysis. However, the analysis must take into account the semantics of hundreds of system calls. Tracing all system calls increases the overhead, while most system calls do not change the flow of execution. Furthermore, the background kernel threads do not perform system calls and are not taken into account. Our approach relies instead on lower-level events, namely from the scheduler and the interruptions. These events are independent of the semantics of system calls and take into account the kernel threads. Tracing system calls is optional, which helps reduce the overhead and simplifies the analysis. The benchmarks made with popular commercial software indicate that about 90% of the overhead is related to scheduling events. By producing scheduling cycles at the maximum frequency, we established that the average worst case overhead is only 11%. Finally, we implemented an interactive graphical view showing the results of the analysis. With this tool, it was possible to identify quickly several performance and synchronization problems in actual applications. The tool also exposes the internal functioning and architecture of the program, which is useful for performing reverse engineering of a complex system. Secondly, we addressed the distributed dimension of the problem. The basic algorithm has been extended to support indirect network wait, while preserving its previous properties. The same algorithm can therefore be used for local or remote processes. We instrumented the kernel for matching the TCP/IP packets sent and received between machines involved in the processing. The algorithm takes into account the fact that reception and transmission of packets can occur asynchronously. The traces obtained on several systems do not have a common time base, as each has its own clock. The analysis requires that all traces have the same time reference and exchanges must appear in the causal order. For this reason, the traces must first be synchronized. The algorithm was used to explore the behavior of different software architectures. We simulated various operating conditions (network delays, processing delays, retransmission, etc.) to validate the behavior and robustness of the technique. We verified that the result on a cluster of physical computers is the same as the one obtained when the services are running inside virtual machines. The average overhead to trace Web requests is about 5%. The worst case overhead measured with the higest frequency remote procedure call (empty remote call) is approximately 18\%. To complete the analysis, we implemented use cases and software environments involving six different application domains, including a Django Web application, a Java-RMI server, a CIFS distributed file system, an Erlang service and a MPI parallel computation. As a secondary contribution, we proposed two improvements to the synchronization algorithm. The first is a pre-synchronization step that dramatically reduces the maximum memory consumption. The second improvement concerns the performance of the time transformation function. The time is represented in nanoseconds and the rate of change to apply must be very precise. The use of double precision floating point arithmetic is not accurate enough and produces event inversions. Expensive high-precision calculation is required. We replaced most of high-precision calculations by integer arithmetic of native register size, providing an average acceleration of approximately 65 times for the synchronization. The third area of research focuses on profiling the execution path segments. Sampling hardware performance counters allows efficient profiling of native code. One limitation concerns the interpreted code that may be found in an heterogeneous application. In this case, the native code running is the interpreter itself, and the link with the actual sources of the interpreted program is lost. We developed a technique to transfer to an interpreter the performance counter overflow event from the non-maskable interrupt of the processor. The analysis of the interpreter state can then be performed in user-space. To demonstrate the feasability of the approach, we implemented the analysis module for Python. We compared the cost of methods to get the call stack of the Python interpreter and the interpreted code. This data is saved through LTTng-UST, which has a time source consistent with the kernel mode trace and allows the association of the samples produced with the execution path. We validated the profile using a calibrated program. We measured less than 1% profile error, and this result is equivalent to the error rate of a deterministic profiler. The sampling period is a compromise between the overhead and the profile resolution. Our tests indicate that, for an execution path of 50ms, a range of sampling exists that satisfies both a margin of error lower than 5% and an overhead of less than 10%.


identifier: Jeandin, T. (2015). Méthode de choix des attachements pour la fin de vie des produits  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Produits en fin de vie ne rime pas nécessairement avec déchets à éliminer. Bien au contraire ils représentent une source très intéressante de matières premières ainsi que de pièces pouvant être réutilisées. Cependant cet aspect des produits en fin de vie est encore largement sous-exploité. En effet, le désassemblage des produits dans le but de récupérer pièces ou matériaux ne sera effectué que si cela génère un profit suffisant ou si une réglementation s'applique. Hors, étant donné que le traitement en fin de vie est souvent négligé lors de la phase de conception, il en résulte des produits difficiles à désassembler et par conséquent une rentabilité très faible. Design for disassembly (DfD) est une des solutions proposé pour répondre à ce problème. Parmi cet ensemble de règles et de méthodes, un des points qui a le plus d'impact sur le désassemblage concerne les attachements. En effet, le choix d'un certain type d'attachement pour réaliser un assemblage a un impact sur toutes les phases du cycle de vie d'un produit. L'assemblage et le désassemblage seront plus ou moins aisés, l'aspect du produit pourra être différent, tout comme ses propriétés de résistance et les fins de vie possibles pour les pièces d'un produit seront également différentes. Le fait que les attachements jouent un rôle important dans la conception d'un produit rend le choix difficile car il dépend de nombreux paramètres et il est compliqué pour les concepteurs de définir quel est le choix le plus judicieux. L'objectif de la méthode proposée est de définir parmi plusieurs alternatives, laquelle sera la plus à même de répondre aux exigences concernant l'assemblage, l'utilisation du produit, sa maintenance et le désassemblage final. Un des autres aspects important, est la prise en compte du désassemblage dit semi-destructif (destruction partielle d'une pièce d'un sous-assemblage pour récupérer les composants ou matériaux de valeurs tout en réduisant le temps de désassemblage et sans perte importante de valeur). Très peu d'articles abordent le sujet du désassemblage semi-destructif bien qu'il peut être particulièrement intéressant. L'ajout du désassemblage semi-destructif dans le modèle garanti un choix d'attachement plus juste et en accord avec les techniques les plus fréquemment utilisées.  ABSTRACT: End of life products is not necessarily synonymous with waste. On the contrary, they are an excellent source of raw materials and parts that can be reused. However, this aspect of end of life products is still largely under exploited. Product disassembly and the recovery of parts and materials will only take place if there is enough profit generated from the process or if it is regulated. But as the end of life is often overlooked during the design process it makes the disassembly hard to perform and therefore the profitability is especially reduces. Design for disassembly (DfD) is one of proposed solutions to solve this problem. Fasteners are one of the points that impact the much on the disassembly of products. The aim of the proposed model is to determine among several alternatives which one allows to meet the requirements in assembly, in-use, services and disassembly. Another important considered aspect in this model is the semi-destructive disassembly (deteriorate a part of a sub-assembly to recover valuable components or materials and while reducing the disassembly time and without important value loss). This ensures to select a fastener more precisely and according to the most used technics. Even if semi-destructive disassembly may be especially attractive in some cases, it is rarely addressed in the literature. The model developed in this paper is based mainly on the Analytic Network Process (ANP) to define the best alternative and make easier the fastener selection during the design process. A new aspect is that some parameters are previously determined thanks to calculations involving quantitative parameters such as assembly time and disassembly time or material toughness. The interest of these quantitative parameters is to make more concrete the ANP model by replacing pairwise comparisons by well-defined values easy to obtain. Two examples are presented for a better comprehension of the possible improvements brought by this model. The various case of applications studied allowed us to highlight several interesting facts. First, we can observe that when the assembly is privileged compared to other phases of the life cycle, the integral attachments are often the most interesting and provide a quick and easy assembly.


identifier: Berger, M. (2015). First EMTP-RV Benchmark for Off-Line Simulation of Rapid Transit Train DC Auxiliary Systems  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les exigences de performance opérationnelle optimale dans l'industrie ferroviaire du transport de passagers nécessitent le développement continu de solutions innovatrices. Le défi principal des manufacturiers est de fournir des véhicules toujours plus efficaces, plus légers et à un coût moindre tout en offrant de bonnes performances en matière de fiabilité, disponibilité, maintenabilité et sécurité. La distribution auxiliaire DC est ciblée dans ce projet de recherche en raison de son haut potentiel d'améliorations majeures. Le niveau de tension est un enjeu majeur. Les distributions actuelles sont généralement à des tensions très basses variant entre 24 V et 110 V. Les récents développements dans les distributions DC à 380 V sont prometteurs et intéressants pour les manufacturiers de matériel roulant; la distribution auxiliaire DC d'une rame de métro n'étant ni plus ni moins qu'un micro-réseau DC intelligent. Toutefois, le passage à des tensions plus élevées mène inévitablement à de nouveaux enjeux techniques et soulève des questionnements sur les aspects de sécurité.  Par ailleurs, le développement de nouvelles architectures ainsi que l'intégration de nouvelles technologies doivent nécessairement se faire en considérant l'environnement ferroviaire dans son ensemble et les pratiques et normes actuelles de l'industrie. L'analyse par simulation combinée aux pratiques, aux normes et à l'expérience de l'industrie peut s'avérer un outil efficace pour réduire les risques inhérents associés aux changements majeurs. Dans ce projet, un modèle complet de distribution auxiliaire DC typique d'une rame de métro est développé dans le logiciel de simulation EMTP-RV en se basant sur les données de Bombardier Transport. Chaque composante du réseau est modélisée et validée individuellement. Le modèle est orienté vers les besoins et les objectifs d'analyse de l'industrie. Il permet de faire des études complètes et détaillées dans le but de développer de nouvelles architectures et valider différents concepts qui ne peuvent être expérimentés à la phase de conception. Le modèle permet également d'étudier plusieurs scénarios rapidement.  Les possibilités et les performances du modèle de simulation sont finalement démontrées par la réalisation de différentes études de réseaux électriques : protection de court-circuit, mise à la terre et protection de défaut à la terre, étude de surtension transitoire et protection contre les surtensions, dimensionnement des batteries d'urgence, stabilité de tension et courant d'appel. Les analyses sont basées sur des observations expérimentales ainsi que sur des études de cas réelles présentées dans la littérature.  ABSTRACT: In the rapid transit industry, market interest toward optimal operational performance requires innovative solutions. The main challenge for vehicle manufacturers is to increase the efficiency and reduce the weight and the cost of its vehicles while keeping high levels of reliability, availability, maintainability, and safety. Vehicle DC auxiliary systems are targeted in this master thesis because they offer a high potential of major improvements. Voltage level is a major challenge. Actual distribution are at very low voltages ranging between 24 V to 110 V. Recent developments in 380 V DC systems are promising and interesting for vehicle manufacturers. DC auxiliary systems in railway vehicles are in fact no other than rolling smart DC microgrids. The shift toward higher voltage DC auxiliary systems inherently leads to new technical challenges and safety concerns. Moreover, the development of new architectures and the integration of new technologies must be done with an appropriate knowledge of the rail environment and the actual practices and standards. Analysis using simulation models combined with established industry practices, standards and past experiences is an efficient tool to reduce the inherent risk exposure with major changes. In this project, a complete generic rapid transit train DC auxiliary system model is developed in EMTP-RV based on Bombardier Transportation data. Models of the network components are developed and validated individually based on the available information. The developed train model is highly oriented toward the industry specific needs and provides sufficient level of details for design purpose and architecture development of railway vehicle DC auxiliary systems. The simulation model can be a useful tool at the design phase to investigate design concerns which cannot be tested at early project stage. The capabilities of the simulation model are finally demonstrated for different power system studies such as: overcurrent protection, grounding and ground fault analysis, transient overvoltage and insulation coordination, emergency battery sizing, voltage stability, and inrush current. Phenomena, and events observed during field testing and presented in the literature are reproduced using the developed model and the influence of network parameters is investigated.


identifier: Lehouillier, T. (2015). Modèles déterministes et stochastiques pour la résolution de conflits entre aéronefs  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la programmation mathématique appliquée au problème de détection et de résolution de conflits entre aéronefs. Un conflit est une perte de séparation entre deux ou plusieurs aéronefs qui se retrouvent trop proches selon des normes de sécurité prédéfinies. Étant donnée une configuration initiale d'un ensemble d'aéronefs (position, vitesse, accélération), le problème de détection et de résolution de conflits entre aéronefs consiste à trouver une nouvelle configuration sans conflits futurs et minimisant une fonction de coût choisie par l'utilisateur (critère économique, critère sécuritaire, etc.). Dans le système de gestion du trafic aérien actuel, cette tâche est gérée par un contrôleur aérien visualisant le trafic sur un moniteur. Quand le contrôle anticipe un conflit, il transmet des manœuvres d'évitement aux pilotes des aéronefs concernés. Les pilotes appliquent ces manoeuvres avant de rejoindre leur trajectoire prévue par leur plan de vol. Les enjeux de l'optimisation du maintien de séparation entre aéronefs sont multiples. En particulier, le développement de modèles d'aide à la décision pour le contrôle permettrait l'augmentation de la capacité des secteurs aériens. Ainsi, plus d'aéronefs pourraient circuler en même temps, et ce le long de leur trajectoire optimale, tout en diminuant les retards. De plus, au-delà de la complexité du trafic, les imprécisions relatives aux données météorologiques et à l'état des aéronefs, ainsi que les délais de communication, mettent en avant la nécessité de robustesse dans la résolution du problème. Dans cette optique, la communauté de recherche opérationnelle s'est attaquée durant les deux dernières décennies à des variantes du problème de plus en plus complexes permettant de prendre en compte des contraintes opérationnelles difficiles à traiter. Cette thèse s'insère dans cette tendance. Dans un premier temps, cette thèse présente une étude économique destinée à valider le besoin opérationnel d'outils automatisés d'aide à la décision pour le contrôleur aérien. Plus particulièrement, les interactions entre les décisions tactiques faites lors de l'affectation des créneaux de décollage et les décisions opérationnelles faites lors de la résolution de conflits sont étudiées dans un contexte de trafic augmenté. Pour cela, un simulateur de trafic permettant de travailler avec différents paradigmes d'allocations de créneaux de décollage, de capacité de secteurs, d'augmentation de trafic est utilisé. À partir de données de trafic français datant de 2012, une semaine de trafic standard est générée pour différentes années jusqu'à un horizon allant à 2035. L'étude montre alors que les coûts des retards dus à l'allocation de créneaux de décollage augmentent exponentiellement avec l'augmentation du trafic si la capacité du réseau n'est pas augmentée, tandis que l'augmentation des coûts de résolution de conflits augmente de façon beaucoup plus acceptable avec un réseau de plus grande capacité. Cependant, l'augmentation de la capacité du réseau entraîne une charge de travail ingérable pour un contrôleur avec les outils actuellement disponibles. L'étude propose ensuite un compromis entre une forte augmentation des coûts de retards et une forte charge de travail, en contrôlant la hausse des coûts des retards en augmentant les capacités des secteurs. La valeur ajoutée de cette étude est que nous sommes désormais capables de quantifier les objectifs de recherche en optimisation du trafic aérien, tout en donnant une légitimité aux travaux déjà existants. Dans un second temps, cette thèse présente un modèle mathématique de détection et de résolution de conflits dans un cadre déterministe. Le design de la méthode repose sur la volonté d'obtenir un modèle robuste. En d'autres termes, le formalisme mathématique doit demeurer valable, et ce quelles que soient les hypothèses considérées. Pour cela, les aspects relatifs à la modélisation de la dynamique des avions, des manoeuvres ainsi que la fonction de coût sont complètement séparés du modèle mathématique de résolution. Formellement, le problème est modélisé comme une recherche de clique de cardinalité maximale et de poids minimum dans un graphe. Les sommets du graphe correspondent à un ensemble de manoeuvres possibles pour les aéronefs, et les arêtes lient des manoeuvres sans conflit pour des aéronefs différents. Afin de garder un graphe compact, nous modélisons les coûts de façon originale : en effet, ces coûts dépendent des sommets appartenant à la clique et ne sont ainsi plus connus a priori. Ce choix de modélisation en fait une nouvelle variante d'un problème de recherche de clique de cardinalité maximale de poids minimum. Nous formulons ensuite le problème comme un programme linéaire à variables mixtes. Deux méthodes de décomposition sont également développées. La première vise à utiliser l'influence du nombre de manoeuvres par aéronef sur le temps d'exécution afin de trouver un compromis entre efficacité et temps de résolution, alors que la seconde vise à exploiter les caractéristiques géométriques des instances. Des instances ayant jusqu'à 250 avions répartis sur 20 niveaux sont résolues en moins de 10 secondes de calcul. La dernière partie de cette thèse traite la prise en compte d'incertitudes lors de la résolution de conflits. Plus particulièrement, nous considérons les incertitudes dues aux erreurs de prévisions météorologiques sur le vent, ainsi que les erreurs de mesure de la vitesse venant de la connaissance incomplète des paramètres physiques des avions. Nous introduisons également un nouveau type d'incertitude : le délai dû aux communications entre le contrôleur et les pilotes. Ces perturbations induisent une erreur longitudinale sur la trajectoire des avions que nous quantifions, afin d'établir une formule analytique de la probabilité de conflit entre chaque paire d'avions. Nous utilisons ensuite cette formule pour modifier la définition des arêtes du graphe présenté dans la seconde partie de la thèse. Nous abordons ensuite le problème de résolution de conflits sous un angle bi-objectif. Pour ce faire, nous considérons un critère économique correspondant à la consommation de carburant pour exécuter les manoeuvres, ainsi qu'un critère de sécurité décrit par l'espérance du nombre de conflits. Nous présentons ensuite une méthode itérative permettant de générer un ensemble de solutions approximant le front de Pareto du problème. Cette approche est innovante car elle nous permet d'avoir une approche bi-objectif du problème de résolution de conflits, ce qui correspond plus à la nature intrinsèque du problème, et elle permet de fournir au contrôleur un ensemble de solutions. Ce dernier point est le plus pertinent car la notion d'optimalité est discutable en résolution de conflits à cause de l'existence de plusieurs “bonnes solutions” proches de la solution optimale, et il peut être intéressant de laisser au contrôleur des options dans sa prise de décision. En moyenne, 6 solutions sont générées en moins de 3 minutes pour des instances ayant jusqu'à 35 avions.  ABSTRACT: This thesis is related to the field of mathematical programming applied to the conflict detection and resolution problem between aircraft. A conflict happens when two or more aircraft are too close to each other regarding pre-defined separation distances. Given the initial configuration (position, speed, acceleration) of a set of aircraft, the conflict detection and resolution problem consists in finding a new conflict-free configuration that minimizes a cost function chosen by the user (economical criterion, safety criterion, etc.). In the current air traffic management system, this task is managed by an air traffic controller who monitors traffic on a screen. When he/she anticipates a conflict, he/she communicates avoidance maneuvers to the pilots of the corresponding aircraft. The pilots execute these maneuvers before recovering the trajectory described on their flight plan. The stakes behind the optimization of separation between aircraft are multiple. In particular, the development of automated decision tools for air traffic control would allow the increase in airspace capacity. As a consequence, more aircraft could fly simultaneously while following their optimal trajectory and reducing potential delays. Besides, in addition to traffic complexity, the imprecisions related to weather forecasts, to the aircraft physical parameters and the potential communication delays highlight the need for robustness in the problem resolution. To this end, in the last decades the research community has tackled more complex problems that consider hard-to-solve operational constraints. This thesis follows this trend. First, this thesis presents an economical study aiming at the validation of an operational need for the development of automated decision tools for the air traffic controller. More specifically, we study the interactions between strategic decisions for take-off slot allocation and the tactical decisions of conflict resolution in a context of increasing traffic. To this end, we use a complete traffic simulator allowing us to consider different paradigms of take-off slot allocation, sector capacities and traffic increase. Using historical French traffic data from 2012, a typical week of traffic is generated to represent traffic for different years until 2035. The study highlights on the one hand that the costs of delays due to the take-off slot allocation increase exponentially with the traffic increase if the network capacity is not increased. On the other hand, the costs of conflict resolution increase in an acceptable fashion in a network of larger capacity but the workload becomes unmanageable for an air traffic controller using the currently available tools. The study then proposes a compromise between a huge increase of delay costs and a heavy workload by controlling the growth of delay costs by increasing sector capacity. This is of great value, since we are now capable of quantifying research objectives for air traffic optimization while legitimizing the research already existing. Second, this thesis presents a deterministic mathematical model to solve the conflict detection and resolution problem between aircraft. The design of the presented method was driven by robustness. In other words, the proposed mathematical framework must remain valid, whatever the hypotheses considered. To this end, the aspects related to the modeling of aircraft dynamics, maneuvers and the cost function are fully separated from the mathematical resolution process. Formally, the problem is modeled as a search for a clique of maximal cardinality and minimum weight in a graph. The vertices of the graph correspond to possible aircraft maneuvers and edges connect conflict-free maneuvers of different aircraft. To keep the graph compact, we model the vertex costs in an innovative fashion: indeed, these costs depend on the vertices in the clique, and thus cannot be known a priori. This choice of modeling corresponds to a new variant of the minimum-weight maximum-cardinality clique problem. We formulate this problem as a mixed integer linear program. We also develop two decomposition methods. The first one aims at taking advantage of the effect of the number of maneuvers per aircraft on the solution time to find a trade-off between solution efficiency and time, while the second one exploits the geometrical characteristics of the set of aircraft. Instances with up to 250 aircraft divided between 20 flight levels are solved within 10 seconds. The last part of this thesis takes into account uncertainties in the conflict resolution process. More specifically, we consider uncertainties due to errors in weather forecasts, in the aircraft speed measure resulting from the incomplete knowledge of the physical paremeters of the aircraft. We introduce a new type of uncertainty: the delay in the execution of maneuvers due to communications. Those perturbations induce an along-track error on the aircraft trajectory that we can quantify in order to derive an analytical formula of the probability of conflict between every pair of aircraft. We use this formula to modify the definition of edges in the graph presented in the previous section of the thesis. We then tackle the conflict resolution problem as a bi-objective problem. To this end, we consider an economical criterion corresponding to the fuel consumption induced by the execution of maneuvers, along with a safety criterion represented by the expected number of conflicts. We also present an iterative method generating a set of solutions approximating the Pareto front of the problem. This method is innovative, since it uses a bi-objective approach of conflict resolution, which fits more with the inner nature of the problem, while providing the controller with a set of solutions. This last feature is the most relevant because the notion of optimality in conflict resolution is questionable, since there exist several ”good solutions” close to the optimal one, and it could be interesting to give the controller some options in his/her decision making. On average, 6 solutions are generated within 3 minutes for instances with up to 35 aircraft.


identifier: Boucher, J.-M. (2015). Augmentation de performance des doigts sous-actionnés par actionnement multiple  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les préhenseurs font partie des éléments critiques en robotique, notamment lorsqu'ils sont amenés à saisir des objets de formes et de grandeurs différentes. L'utilisation typique d'un actionneur pour chaque degré de liberté (DDL) constitue un système complexe nécessitant généralement l'utilisation de plusieurs capteurs et d'algorithmes de contrôle évolués. Les concepts sous-actionnés, pour leur part, ne nécessitent généralement pas ces éléments. Ils suscitent donc un intérêt grandissant et font l'objet de plus en plus d'études, le coût et le poids devenant des enjeux inévitables. La plupart des mécanismes sous-actionnés n'utilisent pas plus d'un actionneur agissant sur les mêmes DDL. Pour les doigts sous-actionnés, sujet de ce mémoire, l'utilisation d'un seul actionneur peut limiter les performances. L'objectif de la présente étude est de quantifier les avantages de l'actionnement multiple, c'est-à-dire l'utilisation de plusieurs actionneurs. Deux cas sont étudiés. Le premier porte sur l'amélioration des performances du point de vue de la saisie d'objets. Le deuxième porte sur le contrôle de la trajectoire de fermeture, c'est-à-dire le mouvement libre du doigt sans qu'il y ait contact avec un objet. Dans le premier cas, l'amélioration des performances de la prise englobante, c'est-à-dire enveloppant l'objet en maximisant le nombre de contacts, est évaluée pour différentes combinaisons d'actionneurs, après une optimisation de la géométrie pour chacune d'entre elles. Deux architectures sont étudiées, une pour laquelle un maximum de trois couples d'actionnement sont distribués à l'intérieur du mécanisme, et l'autre pouvant accueillir deux actionneurs dans la paume. Pour la première, une amélioration marquée de la performance est observée, alors que pour la deuxième, la différence est plutôt modeste. Dans le deuxième cas, l'architecture comportant deux actionneurs dans la paume est optimisée pour obtenir deux trajectoires de fermeture différentes. L'actionnement du doigt par un des actionneurs occasionne une trajectoire analogue à une prise englobante alors que l'utilisation du second en occasionne une pour laquelle la phalange distale demeure perpendiculaire à la paume. Un prototype de ce doigt ayant le comportement escompté est présenté. À la lumière de cette étude, il est clair qu'il y a avantage à utiliser plusieurs actionneurs sur un doigt sous-actionné, que ce soit pour améliorer les performances de la saisie d'objets ou pour permettre le contrôle de la trajectoire de fermeture.  ABSTRACT: Grippers are one of the critical elements in robotics, especially when they get to grasp differently shaped and sized objects. Typical use of one actuator per degree of freedom (DOF) leads to complex mechanisms generally needing many sensors and advanced control algorithms. However in most cases, underactuated designs do not need those components. Therefore, underactuated grippers are the focus of a growing number of works as cost and weight become inescapable issues. Most underactuated mechanisms use no more than one actuator for a set of DOF. As for underactuated fingers, topic of this work, using a single actuator can limit their performance. The main objective of this work is to quantify the advantages of multiple drive actuation, i.e., using several actuators. Two cases are studied. The first focuses on grasp performance augmentation. The second one is about motion control. In the first study case, grasp performance augmentation is assessed for various combinations of actuators, geometry being optimized for each one. Two architectures are studied, one for which a maximum of three torques inputs are distributed throughout the mechanism, and another able to accommodate two actuators in the palm. For the first one, a significant performance amelioration is observed, while for the second one, the difference is modest. In the second study case, the architecture using two actuators in the palm is optimized in order to obtain two distinct closing motions. Driving the finger with one actuator leads to a enveloping grasp like motion, while using the second one leads to a pinch grasp preshaping, i.e., a closing motion for which the distal phalanx remains perpendicular to the palm. A prototype showing the expected behaviour is presented. In the light of this study, it is clear that using several actuators on an underactuated finger is an advantage, whether it be for grasp performance augmentation or to allow motion control.