identifier: Moreau, V. (2012). Estimation statistique de données manquantes en inventaire du cycle de vie  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un problème rencontré par de nombreuses méthodes d'évaluations d'impacts sur l'environnement est le manque de données fiables. L'analyse du cycle de vie (ACV), un outil d'évaluation des impacts pour produits, procédés et services sur l'ensemble de la chaîne de production, consommation et élimination, ne fait pas exception. Les raisons expliquant le manque de données sont multiples, la collecte peut être physiquement, économiquement ou légalement infaisable. Plus important encore sont l'absence de données et les incertitudes qui découlent de connaissances insuffisantes sur le fonctionnement ou l'état d'un système, d'une technologie émergente à l'évolution du climat. En ACV, l'inventaire du cycle de vie est une étape particulièrement gourmande en données puisqu'il s'agit de quantifier les flux d'énergie et de matériaux traversant les frontières d'un système, incluant les émissions. Différentes sources de données empiriques et génériques sont utilisées lorsque disponibles. Les bases de données d'inventaire et références bibliographiques, si elles ne sont pas nécessairement représentatives du contexte à l'étude, sont souvent ajustées en fonction de la situation géographique ou des technologies en vigueur. En parallèle, quelques approches existent pour estimer les données lorsque celles-ci ne sont pas disponibles, dont la contribution principale de cette thèse. L'objectif de ce travail de recherche est d'améliorer la qualité des données d'inventaire en proposant une méthode d'estimation des données manquantes et des incertitudes correspondantes. Contrairement aux bilans de masse et d'énergie pour un procédé donné, l'approche développée ici consiste à modéliser les processus à l'aide d'estimateurs statistiques dont les propriétés sont adaptées aux échantillons de petites tailles et aux données très variables. L'hypothèse de recherche est la suivante: un estimateur nommé krigeage permet d'intégrer l'estimation de données manquantes et de leurs incertitudes de façon plus fiables qu'avec d'autres techniques linéaires. Emprunté à la géostatistique, il présente les avantages d'être flexible sur les modèles de relation entre variables dépendantes et indépendantes et d'être un estimateur exact, sans erreur statistique lorsque les données observées sont estimées, toute l'information est donc conservée. Une interprétation des paramètres du krigeage spécifique aux problèmes d'incertitude des vi données, présente d'autres avantages. Qu'elles proviennent de sources diverses ou qu'il faille recourir à toutes les données disponibles, aussi peu nombreuses soient elles, leurs variations deviennent importantes. La résolution des équations du krigeage est ainsi modifiée pour permettre d'incorporer une incertitude spécifique à chaque observation. La procédure se base sur les caractéristiques techniques, variables indépendantes, des processus étudiés pour estimer leurs besoins en énergie et matériaux et leurs émissions sur l'ensemble du cycle de vie. En comparaison avec d'autres approches, peu de données additionnelles sont nécessaires. La production d'électricité est un exemple phare du fait de son impact pour la plupart des procédés. L'hydroélectricité en particulier est mal représentée parmi les données existantes, sa production variant considérablement d'un site à l'autre. En d'autres termes il n'existe pas de centrale hydroélectrique générique. Contrairement aux flux d'inventaire de ces mêmes centrales, les spécifications techniques ou variables caractéristiques, telles que la capacité installée, la production effective, la surface d'un éventuel réservoir, etc. sont des données généralement accessibles. Les modèles de krigeage sont d'abord testés sur des données d'inventaire pour des éoliennes de puissances variées pour ensuite être appliqués d'un coté aux flux d'énergie et de matériaux nécessaires à la construction et l'exploitation de centrales et de l'autre aux émissions de gaz à effet de serre provenant des réservoirs hydroélectriques. Les résultats montrent qu'il est possible d'améliorer l'estimation des données d'inventaire grâce au krigeage. En comparant plusieurs formes de krigeage et régression linéaire, les estimations par krigeage sont non seulement plus précises mais les écarts type couvrent aussi les données de manière plus exacte. Lorsque les données observées sont incomplètes, c'est à dire que les flux d'inventaire ne sont pas disponibles pour toutes les observations, les erreurs d'estimation sont plus faibles pour le krigeage que la régression linéaire. Plus précisément, le krigeage d'un flux d'inventaire sur base de deux variables caractéristiques présente des erreurs encore plus faibles que son cousin multivarié, le cokrigeage. Par validation croisée, les erreurs d'estimation sont en moyenne plus faible pour le krigeage que la régression linéaire, que les données observées soient complètes ou non. L'application de plusieurs variables caractéristiques améliore la qualité des estimations lorsqu'elles sont positivement corrélées. De plus, la modification du vii système de krigeage pour intégrer une mesure d'incertitude propre à chaque observation, permet d'atteindre une réduction de la variation des données estimées. Autrement dit cette variabilité est incluse directement dans le modèle. Les estimations sont ainsi plus fiables lorsque proches des points d'échantillon dont les incertitudes sont faibles, et inversement. Pour chacun des échantillons, différents modèles reliant variables dépendantes et indépendantes sont testés, notamment les fonctions de covariance linéaire, exponentielle, sphérique et cubique, ainsi qu'une série de valeurs pour leurs paramètres. Concernant l'analyse de systèmes de production d'électricité, ces résultats impliquent en particulier une estimation des données là où elles seraient difficiles à collecter et donc une simplification du processus de récolte. Pour des technologies aussi spécifiques aux conditions géologiques ou hydrologiques que l'hydroélectrique, l'estimation de flux d'inventaire par krigeage avec intégration de cette variabilité, se révèle plus représentative du contexte géographique ou technologique, d'où des données d'inventaire de meilleure qualité. Même si le krigeage présente de nombreux avantages – ses erreurs d'estimation sont en moyenne plus faibles que la régression linéaire – des limites existent quant à son application. Les estimations se basent sur des variables indépendantes qui expliquent, avec des corrélations plus ou moins élevées, l'inventaire d'un processus. Dans la chaîne de production, il est donc possible de remonter jusqu'aux processus élémentaires dont les caractéristiques décrivent les différents flux d'énergie et de matériaux correspondants. En comparaison avec d'autres façon d'estimer ou de substituer des données manquantes, celle proposée ici ne repose sur aucun a priori ou jugement d'expert mais requiert certaines connaissances techniques pour identifier ces variables caractéristiques et valider le modèle de krigeage. Cette thèse apporte un ensemble d'évidences en faveur de l'hypothèse d'une amélioration de la modélisation des données d'inventaire du cycle de vie à l'aide du krigeage. L'approche se révèle particulièrement adaptée à l'estimation de données manquantes pour augmenter la fiabilité des inventaires et aux processus spécifiques dont les données existantes ne sont pas représentatives.  ABSTRACT: A problem frequently encountered in environmental impact assessment methods is the lack of reliable data. Life cycle assessment (LCA), a decision support tool which evaluates the impacts of products, processes and services from production to consumption and disposal, is no exception. Multiple reasons explain the lack of data, the sheer size of a product system or process can limit data collection, so do the economic costs as well as legal restrictions. More important is the absence of data and corresponding uncertainties due to a lack of knowledge regarding the state or performance of a system, from new and emerging technologies to climatic change. In LCA, life cycle inventory is a particularly data intensive and sensitive phase of the analysis, requiring the quantification of energy and material flows crossing a system's boundaries as well as emissions. When available, various sources of data, empirical and generic are compiled in an inventory. Although databases and literature references are not necessarily representative of the context, they are often adjusted according to geographic location and prevailing technologies. A few techniques to estimate missing inventory data also exist, to which this thesis is an important contribution. Hence the main objective of the research work, to improve the quality of life cycle inventory data by developing a method to estimate missing data and corresponding uncertainties. Contrary to process-based models of mass and energy balance, this approach consists of statistical estimators which model processes from relatively small samples of usually high variability. The research hypothesis is as follows: the so called kriging estimator allows the combined estimation of missing data and their uncertainties in such ways that are more reliable than other linear estimators. Borrowed from spatial statistics, kriging is an estimator with several advantages, the flexibility associated with a choice of model function and the exact estimator property. In other words, kriging shows no statistical errors when estimating observed values, no data is averaged out. An interpretation of the kriging parameters specific to the problems of data uncertainty, offers more advantages. One parameter of the covariance function accounts for small scale variations of the data and taken as a proxy for uncertainty. Whether it be the variety of data ix sources, the scarcity of the data itself or both, each and every source adds to data variability and uncertainty. The kriging system of equations is therefore modified such as to integrate a factor of uncertainty specific to each observations. Comparisons between the modified and conventional forms of kriging can be drawn. The procedure is based on the relationship between technical specifications, more readily available independent variables, and the dependent material and energy flows of the processes under consideration. Such material and energy requirements as well as emissions are estimated over the entire life cycle of products and processes. The needs for additional data are relatively low compared to other approaches, namely extended input output analysis. For many products, processes and services, electricity generation and consumption account for a sizable share of the impacts. Hydroelectricity in particular is poorly represented within existing inventory data since production facilities vary considerably from one location to another. In other words, generic hydropower plants do not exist. Contrary to inventory flows, the technical specifications or characteristic variables of hydropower plants, such as the installed capacity, annual production or surface area of adjacent reservoirs, are usually publicly available. The kriging model is first tested on a data set which represents windmills of varying power capacity before it is applied to hydroelectricity. The experiment is divided according to data availability, on one hand the energy and materials required during construction, operation and maintenance of hydropower plants. On the other hand, the emissions of greenhouse gases from reservoirs are estimated. The results show that estimation of inventory data can be improved thanks to kriging. When comparing different forms of kriging and linear regression, the kriging estimates are not only more precise but the standard deviations also cover the data more accurately. Where the observed data are incomplete, that is where inventory flows are missing for part of the observations, the estimation errors are lower for kriging than linear regression. Moreover, univariate kriging of inventory flows based on two characteristic variables, shows lower errors than its multivariate kin, cokriging. On average the statistical errors calculated from cross-validation are lower for kriging than they are for linear regression, whether the observed data are x complete or not. The application of several characteristic variables improves the quality of the estimates when they are positively correlated. In addition, the modified form of kriging which accounts for degrees of uncertainty specific to each observations, results in a reduction in the variations of the estimated inventory data. That is, data variability is incorporated directly in the model. Estimates closer to more reliable observations are shown to be less uncertain and vice versa. For each of the data sets, different relationships between dependent and independent variables are tested, for example the linear, exponential, spherical and cubic covariance functions as well as a range of parameter values. For the analysis of electrical generation technologies, these results imply better estimates for data that are difficult to sample and therefore a simplified data collection process. In the case of site specific or variable processes such as hydroelectricity, the estimation of inventory data with kriging accounting for such data variability, proves more representative of the geographical or technological context. The quality of inventory data is consequently higher. Even if kriging has several advantages and its estimation errors are lower on average, some limitations to its application exist. The estimation procedure is based on independent variables explaining, with different degrees of correlation, the inventory flows of a process. In the production and consumption chain, the inventory of elementary processes can be estimated as far as characteristic variables describe the corresponding material and energy flows or emissions. Compared to other techniques for estimating or substituting missing data, the proposed approach makes no particular assumption nor requires expert judgment but the technical knowledge to identify characteristic variables and validate the kriging model. This thesis brings evidence in favor of the hypothesis that the estimation of life cycle inventory data can be improved thanks to statistical estimators such as kriging. The methodological approach proves particularly suited to increasing both, the reliability of inventories by estimating missing data and the estimation of more representative inventory data for specific processes without existing quality data.


identifier: Dang, C. K. (2012). OPTIMIZATION OF ALGORITHMS WITH THE OPAL FRAMEWORK  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La question d'identifier de bons paramètres a été étudiée depuis longtemps et on peut compter un grand nombre de recherches qui se concentrent sur ce sujet. Certaines de ces recherches manquent de généralité et surtout de  re-utilisabilité. Une première raison est que ces projets visent des systèmes spécifiques. En plus, la plupart de ces projets ne se concentrent pas sur les questions fondamentales de l'identification de bons paramètres. Et enfin, il n'y avait pas un outil puissant capable de surmonter des difficulté dans ce domaine. En conséquence, malgré un grand nombre de projets, les utilisateurs n'ont pas trop de possibilité à appliquer les résultats antérieurs à leurs  problèmes. Cette thèse propose le cadre OPAL pour identifier de bons paramètres algorithmiques avec des éléments essentiels, indispensables. Les étapes de l'élaboration du cadre de travail ainsi que les résultats principaux sont présentés dans trois articles correspondant aux trois chapitres 4, 5 et 6 de la thèse. Le premier article introduit le cadre par l'intermédiaire d'exemples fondamentaux. En outre, dans ce cadre, la question d'identifier de bons paramètres est modélisée comme un problème d'optimisation non-lisse qui est ensuite résolu par un algorithme de recherche directe sur treillis adaptatifs. Cela réduit l'effort des utilisateurs pour accomplir la tâche d'identifier de bons paramètres. Le deuxième article décrit une extension visant à améliorer la performance du cadre OPAL. L'utilisation efficace de ressources informatiques dans ce cadre se fait par l'étude de plusieurs stratégies d'utilisation du parallélisme et par l'intermédiaire d'une fonctionnalité particulière appelée l'interruption des tâches inutiles. Le troisième article  est une description complète du cadre et de son implémentation en Python. En plus de rappeler les caractéristiques principales présentées dans des travaux antérieurs, l'intégration est présentée comme une nouvelle fonctionnalité par une démonstration de la coopération avec un outil de classification. Plus précisément, le travail illustre une coopération de OPAL et un outil de classification pour résoudre un problème d'optimisation des paramètres dont l'ensemble de problèmes tests est trop grand et une seule évaluation peut prendre une journée.  ABSTRACT: The task of parameter tuning question has been around for a long time, spread over most domains and there have been many attempts to address it. Research on this question often lacks in generality and re-utilisability.  A first reason is that these projects aim at specific systems. Moreover, some approaches do not concentrate on the fundamental questions of parameter tuning. And finally, there was not a powerful tool that is able to take over the difficulties in this domain. As a result, the number of projects continues to grow, while users are not able to apply the previous achievements to their own problem. The present work systematically approaches parameter tuning by figuring out the fundamental issues and  identifying the basic elements for a general system. This provides the base for developing a general and flexible framework called  OPAL, which stands for OPtimization of ALgorithms. The milestones in developing the framework as well as the main achievements are presented through three papers corresponding to the three chapters 4, 5 and 6 of this thesis. The first paper introduces the framework by describing the crucial basic elements through some very simple examples. To this end, the paper considers three questions in constructing an automated parameter tuning framework. By answering these questions, we propose OPAL, consisting of indispensable components of a parameter tuning framework. OPAL models the parameter tuning task as a blackbox optimization problem. This reduces the effort of users in launching a tuning session. The second paper shows one of the opportunities to extend the framework. To take advantage of the situations where multiple processors are available, we study various ways of embedding parallelism and develop a feature called ''interruption of unnecessary tasks'' in order to improve performance of the framework. The third paper is a full description of the framework and a release of its Python} implementation. In addition to the confirmations on the methodology and the main features presented in previous works, the integrability is introduced as a new feature of this release through an example of the cooperation with a classification tool. More specifically, the work illustrates a cooperation of  OPAL and a classification tool to solve a parameter optimization problem of which the test problem set is too large and an assessment can take a day.


identifier: Harvey, J.-P. (2012). Développement de techniques numériques pour l'estimation, la modélisation et la prédiction de propriétés thermodynamiques et structurales de systèmes métalliques à fort ordonnancement chimique  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans ce travail, la possibilité de calculer et d'évaluer avec précision l'énergie de Gibbs d'équilibres de phases complexes, pour lesquels le comportement énergétique des solutions solides métalliques est décrit par des modèles thermodynamiques décrivant simultanément les ordonnancements chimiques à courte et longue distance ainsi que des solutions métalliques liquides décrites par un modèle décrivant l'ordonnancement à courte distance, a été étudiée. Pour ce faire, les modèles thermodynamiques appelés « cluster site approximation » (CSA) et « cluster variation method » (CVM) ont été implémentés à l'intérieur d'une toute nouvelle technique de minimisation de l'énergie libre de Gibbs de systèmes multicomposants et multiphasiques pour décrire le comportement thermodynamique de solutions solides métalliques présentant un fort ordonnancement chimique. Le modèle quasichimique modifié avec approximation de paires (MQMPA) a également été implémenté dans le nouvel algorithme de minimisation pour décrire le comportement thermodynamique des solutions liquides. Ce nouvel algorithme de minimisation sous contraintes a été construit selon une approche de programmation quadratique séquentielle de type Newton exacte (c'est-à-dire l'usage de dérivées secondes exactes pour évaluer la matrice Hessienne de la fonction objective) avec recherche linéaire de direction de descente suffisante. L'implémentation de cette nouvelle technique de minimisation d'énergie de Gibbs sous contraintes a été nécessaire suite à la rencontre de difficultés quant à l'identification de l'état d'équilibre pour des conditions données lors de l'utilisation du logiciel FactSage lorsque les modèles mentionnés ci-haut sont simultanément présents pour décrire le comportement thermodynamique des phases présentes à l'équilibre (ex. : Solide_CSA+Liquide_MQMPA, Solide1_CSA+Solide2_CSA).  Une fois le développement de la technique de minimisation de l'énergie de Gibbs validé pour plusieurs systèmes binaires et ternaires trouvés dans la littérature, il a été possible de paramétrer ces modèles de solutions solides pour des systèmes d'intérêt industriel tel les systèmes Cu-Zr et Al-Zr à partir de données thermodynamiques cohérentes générées à partir d'un simulateur Monte Carlo, complètement bâti dans le cadre de ce travail, utilisant le potentiel interatomique appelé « modified embedded atom model in the second nearest neighbour pair formalism » (MEAM-2NN) pour décrire l'énergie interne des structures étudiées. Ce potentiel interatomique a dû être paramétré pour les interactions mixtes du système Al-Zr dans le cadre de ce travail. Le chemin d'intégration thermodynamique a aussi été implémenté dans ce simulateur de façon à pouvoir évaluer l'énergie de Gibbs absolue des structures considérées tant solides que liquides, ce qui permet de déduire l'entropie. L'implémentation de cette technique a alors permis pour la première fois de calculer de manière théorique toutes les contributions de mélange (contributions enthalpiques et entropiques) d'une phase binaire liquide (Cu-Zr et Al-Zr) et solide (solution CFC Al-Zr) à partir du potentiel MEAM-2NN.  Les propriétés thermodynamiques et structurales obtenues suite à de nombreuses simulations Monte Carlo couplées à des simulations de dynamique moléculaire classique ont ensuite été utilisées pour paramétrer les modèles thermodynamiques mentionnés précédemment pour la phase liquide du système Cu-Zr ainsi que la phase liquide et la solution solide cubique à faces centrées pour le système Al-Zr. L'étude de ces systèmes a également permis d'introduire de nouveaux paramètres d'excès fonction de la configuration de la solution solide décrite par les modèles CVM ou CSA pour améliorer la précision de ces modèles basé sur des évidences expérimentales trouvées dans la littérature. Un meilleur paramétrage du modèle quasichimique modifié pour la phase métallique liquide a également été proposé en tenant compte des fractions de paires calculées par simulations Monte Carlo et des différents effets de relaxation volumique indépendants de la configuration modélisés à partir de paramètres réguliers. Suite à la génération de données thermodynamiques cohérentes et au paramétrage subséquent des phases solides et liquide du système Al-Zr, un diagramme de phases respectant complètement ces données cohérentes dans l'intervalle de composition   a été présenté.  Des simulations Monte Carlo ont également été faites pour comprendre et définir le comportement thermodynamique de la phase amorphe du système Al-Zr. Finalement, les modèles thermodynamiques ainsi paramétrés pour les solutions solides, liquides et amorphes ont pu servir à définir les conditions, selon des critères thermodynamiques et volumétriques permettant de définir une gamme de composition, où les verres métalliques massifs peuvent être produits.  ABSTRACT: In this work, the possibility to calculate and evaluate with a high degree of precision the Gibbs energy of complex multiphase equilibria for which chemical ordering is explicitly and simultaneously considered in the thermodynamic description of solid (short range order and long range order) and liquid (short range order) metallic phases is studied. The cluster site approximation (CSA) and the cluster variation method (CVM) are implemented in a new minimization technique of the Gibbs energy of multicomponent and multiphase systems to describe the thermodynamic behaviour of metallic solid solutions showing strong chemical ordering. The modified quasichemical model in the pair approximation (MQMPA) is also implemented in the new minimization algorithm presented in this work to describe the thermodynamic behaviour of metallic liquid solutions.  The constrained minimization technique implemented in this work consists of a sequential quadratic programming technique based on an exact Newton's method (i.e. the use of exact second derivatives in the determination of the Hessian of the objective function) combined to a line search method to identify a direction of sufficient decrease of the merit function. The implementation of a new algorithm to perform the constrained minimization of the Gibbs energy is justified by the difficulty to identify, in specific cases, the correct multiphase assemblage of a system where the thermodynamic behaviour of the equilibrium phases is described by one of the previously quoted models using the FactSage software (ex.: solid_CSA+liquid_MQMPA; solid1_CSA+solid2_CSA).  After a rigorous validation of the constrained Gibbs energy minimization algorithm using several assessed binary and ternary systems found in the literature, the CVM and the CSA models used to describe the energetic behaviour of metallic solid solutions present in systems with key industrial applications such as the Cu-Zr and the Al-Zr systems are parameterized using fully consistent thermodynamic an structural data generated from a Monte Carlo (MC) simulator also implemented in the framework of this project. In this MC simulator, the modified embedded atom model in the second nearest neighbour formalism (MEAM-2NN) is used to describe the cohesive energy of each studied structure. A new Al-Zr MEAM-2NN interatomic potential needed to evaluate the cohesive energy of the condensed phases of this system is presented in this work. The thermodynamic integration (TI) method implemented in the MC simulator allows the evaluation of the absolute Gibbs energy of the considered solid or liquid structures. The original implementation of the TI method allowed us to evaluate theoretically for the first time all the thermodynamic mixing contributions (i.e., mixing enthalpy and mixing entropy contributions) of a metallic liquid (Cu-Zr and Al-Zr) and of a solid solution (face-centered cubic (FCC) Al-Zr solid solution) described by the MEAM-2NN. Thermodynamic and structural data obtained from MC and molecular dynamic simulations are then used to parameterize the CVM for the Al-Zr FCC solid solution and the MQMPA for the Al-Zr and the Cu-Zr liquid phase respectively.  The extended thermodynamic study of these systems allow the introduction of a new type of configuration-dependent excess parameters in the definition of the thermodynamic function of solid solutions described by the CVM or the CSA. These parameters greatly improve the precision of these thermodynamic models based on experimental evidences found in the literature.  A new parameterization approach of the MQMPA model of metallic liquid solutions is presented throughout this work. In this new approach, calculated pair fractions obtained from MC/MD simulations are taken into account as well as configuration-independent volumetric relaxation effects (regular like excess parameters) in order to parameterize precisely the Gibbs energy function of metallic melts. The generation of a complete set of fully consistent thermodynamic, physical and structural data for solid, liquid, and stoichiometric compounds and the subsequent parameterization of their respective thermodynamic model lead to the first description of the complete Al-Zr phase diagram in the range of composition   based on theoretical and fully consistent thermodynamic properties. MC and MD simulations are performed for the Al-Zr system to define for the first time the precise thermodynamic behaviour of the amorphous phase for its entire range of composition. Finally, all the thermodynamic models for the liquid phase, the FCC solid solution and the amorphous phase are used to define conditions based on thermodynamic and volumetric considerations that favor the amorphization of Al-Zr alloys.


identifier: Côté, M.-È. (2012). Design characteristics to reduce inadvertent cross-axis coupling during side stick handling of aircraft pitch and roll axis control  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'intégration d'un contrôle de vol tel que le mini-manche latéral (side stick) dans une cabine de pilotage occasionne des difficultés pour le pilote au niveau de la manœuvrabilité de l'avion. Il est plus difficile d'induire une commande dans un axe sans le faire par inadvertance dans l'axe opposé. Ce couplage des axes par inadvertance se fait plus facilement puisque les axes de roulis et de tangage (pitch) sont couplés. Le présent travail adresse trois caractéristiques de conception pour le montage du mini-manche latéral et de l'accoudoir pouvant aider à diminuer le couplage des axes par inadvertance.  Les caractéristiques de conception prennent en considération la variabilité anthropométrique de la population pilote visée (1.57m femme à 1.9m homme). Sept pilotes ayant des mesures anthropométriques variées ont participé au test. Les tâches de vol demandées étaient des tâches sur un seul axe, soit en roulis ou en tangage qui ont été répétées pour chaque configuration. Pour comparer les configurations la variable durée ainsi que l'intégrale du couplage par inadvertance ont été analysées pour chaque manœuvre. Les résultats démontrent qu'un petit accoudoir, ne supportant qu'une partie de l'avant bras, diminue le couplage par inadvertance en roulis et la rotation de la boîte du mini-manche latéral vers l'extérieur diminue le couplage par inadvertance pour des manœuvres tangage.» «  ABSTRACT: Integrating a manual flight control inceptor with coupled axes such as the side stick within a flight deck creates challenges for the pilot to input a one-axis command without inadvertently inducing inputs in the opposite axis. The present paper studies three design features of the side stick and armrest setup believed to help reduce inadvertent cross-axis coupling occurrences. Design features address the aimed pilot population anthropometry (1.57m woman to 1.9m male)and their variability in upper segment measurements. Seven pilots of varying anthropometric sizes were asked to perform one-axis manoeuvres in pitch and roll for each setup configuration. To compare the setups both the duration and the definite integral of the unintended cross-axis input were processed and analyzed for each manoeuvre. Findings show that a short armrest reduces the occurrences of cross-axis input for the roll manoeuvre, whereas the side stick skew reduces inadvertent cross-axis coupling for the pitch manoeuvres.


identifier: Gariépy, M. (2012). Méthodes d'extraction et de décomposition de la traînée pour des écoulements permanents et transitoires  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au début des années 2000, une puissante méthode d'extraction et de decomposition de la traînée, applicable à des solutions numériques, a été proposée. Cette méthode possède l'avantage de pouvoir offrir une décomposition physique de la traînée en termes de traînée d'onde,traînée visqueuse, et traînée induite. Elle offre à l'ingenieur aérodynamicien la possibilité d'optimiser localement les différentes configurations externes relativement à l'identification physique des zones responsables de la production de la traînée. Le deuxieme avantage de cette méthode est qu'elle permet d'identifier, d'extraire, et de quantifier la traînée numérique inhérente à tous calculs CFD. La quantification de la traînée numérique est un atout majeur pour l'ingenieur, car son extraction lui permet d'obtenir un niveau élevé de précision sur le calcul du coefficient de traînée sur des grilles de tailles moyenne à grossière. Cette possibilité revêt un caractère d'une importance capitale lors d'un processus d'optimisation, car elle permet de diminuer radicalement le temps machine requis pour obtenir une solution précise. Axes de recherche generaux Malgré son utilisation de plus en plus répandue dans des centres de recherche et chez certains constructeurs aéronautiques tels qu'Airbus, Bombardier Aéronautique et DLR, la méthode originale, datant de 2003, n'a été l'objet que de peu d'améliorations au fil des années. Qui plus est, cette méthode souffre de certaines lacunes importantes qui diminuent son interêt auprès des industriels. Le premier axe de recherche a donc été d'améliorer la méthode d'extraction et décomposition de la traînée en proposant des solutions concrètes aux différentes lacunes identifiées. De plus, jusqu'à présent, cette puissante méthode ne peut s'appliquer qu'à des écoulements en regime permanent et aucune méthode ne permet l'extraction et la décomposition de la traînée pour des écoulements en régime transitoire. Or, de plus en plus de champs de recherche lancent des signaux clairs qu'une telle méthode serait un atout majeur à leur discipline. A titre d'exemple, on peut considérer le développement de drones à ailes battantes, ou encore, l'étude de la traînée générée par les pales d'un hélicoptère. C'est dans cette optique que s'inscrit le deuxième axe de recherche de cette thèse qui vise a développer une méthode d'extraction et de décomposition de la traînée pouvant s'appliquer à des écoulements évoluant autant en régime permanent que transitoire.  ABSTRACT: At the beginning of the 21st century, a powerful method of extraction and decomposition of the drag, relevant to numerical CFD solutions, was proposed. This method has the advantage of providing a physical breakdown of the drag in terms of wave drag, viscous drag, and induced drag. It therefore offers the aerodynamic engineer the possibility of optimizing the different external configurations relative to the physical identification of the physical zones of drag production. The second advantage of this method is the possibility of identifying, extracting, and quantifying the spurious drag inherent to all CFD solutions. The quantification of the spurious drag is a major asset for engineers because its extraction allows to obtain an high level of accuracy on the computed drag coefficient on coarse to medium grids. This possibility is of the utmost importance during an optimization process because it allows to drastically decrease the required CPU time to obtain an accurate solution. Research axes Despite its use in research centers and in aircraft manufacturers such as Airbus and DLR, the original method, dating from 2003, has suffered little improvement over the years. Moreover, this method possesses some significant drawbacks that limit its widespread use in the industries. The first research axis of this thesis was therefore to improve the drag extraction and decomposition method by proposing concrete solutions to the various identified deficiencies. Moreover, until now, this powerful method can only be applied to steady flows and no method allows the extraction and decomposition of the drag for unsteady flows. However, more and more research fields show clear signals that such method would be a major asset. For example, one can consider the development of drones with flapping wing, or the study of drag produced by the rotating blades of an helicopter. It is from this perspective that the second research axis was developped; as such it aims at the development of a drag extraction and decomposition method relevant to both steady and unsteady flows. Scientific contributions As indicated above, the first research axis aims to improve the actual method by correcting some of its weaknesses. The first deficiency of this method is the necessity to numerically compute the gradient of a certain function. The calculation of a gradient is a complex task which requires to know the topology of the mesh, as well as the discretization scheme used,to give an accurate evaluation of the drag coecient.


identifier: Vonthron, M. (2012). Plateforme pour le guidage de dispositifs thérapeutiques sub-millimétriques par IRM  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation des micro-robots en chirurgie minimalement invasive est un domaine de recherche très actif, et au potentiel très important. Il s'agit de doter les équipes médicales d'outils techniques leur permettant de surpasser les problèmes auxquels elles font face : traitement invasif, zones inaccessibles, infections nosocomiales, etc. Les micro-robots ont en effet le potentiel de pouvoir atteindre des endroits jusqu'ici inaccessibles par les chirurgiens tout en étant introduits dans le corps par une opération minime présentant de faibles risques. Ils peuvent être fonctionnalisés pour remplir une multitude de tâches : administration de médicament, prélèvement de cellules malades, pose de stent, ablation, etc. Miniaturiser un tel dispositif et lui fournir l'énergie nécessaire à son fonctionnement est un défi majeur. Nous proposons l'utilisation de forces magnétiques pour y répondre, la force peut ainsi être générée et contrôlée depuis l'extérieur du micro-robot. Notre méthode se base sur l'utilisation d'un scanner d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Les scanners d'IRM sont des outils répandus dans les hôpitaux qui ont la particularité d'être composés d'un puissant champ magnétique permanent et de bobines de gradients magnétiques tridimensionnelles capable de moduler ce champ très rapidement et très précisément. Ces gradients peuvent générer la force dont nous avons besoin pour déplacer notre dispositif thérapeutique. Cette approche a été validée par des travaux de recherche précédents et nous souhaitons continuer à réduire la taille des micro-robots navigués. Cela entraîne un besoin de force magnétique supplémentaire qui se heurte aux capacités de l'IRM. Nous proposons alors de lui adjoindre du matériel capable d'engendrer une force magnétique 20 fois supérieure. Nous avons également besoin de connaître précisément l'emplacement du dispositif dans le système vasculaire pour mener à bien la navigation. Cette étape de localisation peut également être réalisée par une utilisation détournée du scanner d'IRM. Il se forme en effet une distorsion du champ magnétique lorsque l'on insère un élément métallique dans un IRM, nous pouvons exploiter ce phénomène pour isoler l'origine de la perturbation. L'IRM nous fournit donc à la fois un capteur et un actionneur. Le rôle du contrôleur pourra quant à lui être rempli par le personnel médical qui guidera le dispositif pour aux endroits appropriés. Le présent mémoire de maîtrise porte sur la mise en place d'une telle plateforme à l'École Polytechnique de Montréal. Nous proposons d'étudier le cas de la navigation d'un cathéter muni d'une bille métallique de 0.9 mm de diamètre. Pour parvenir à le naviguer magnétiquement, nous implémentons la technique de localisation présentée plus haut dans l'IRM du laboratoire de Nanorobotique. La mise en œuvre de cette technique est alors testée et validée pour le positionnement d'un cathéter (précision et linéarité du positionnement, influence des paramètres). Nous réalisons également la prise en main du nouveau système de génération de gradients magnétiques pour la propulsion. Ce matériel prototype est testé en profondeur afin de déterminer son adéquation à nos besoin et la façon d'en tirer partie au mieux. Nos expériences montrent que le matériel est adapté à des procédures de cathéters ou de fils-guides, mais qu'il présente des lacunes compromettant son utilisation pour la navigation en boucle fermée de dispositifs micrométriques. Nous réalisons enfin un ensemble de logiciels destinés à former une structure cohérente, mettant en relation nos capacités de localisation et de propulsion, au service de l'équipe médicale. Un serveur temps-réel est conçu pour prendre le contrôle du système de propulsion. Nous lui adjoignons une interface graphique cliente qui communique avec lui par réseau. Le système informatique est testé et amélioré au fur et à mesure des souhaits émis par les utilisateurs afin de parvenir à une plateforme conviviale et efficace. De nombreux tests en conditions in-vitro sont réalisés au cours de ce travail de maîtrise, tous les composants de la plateforme sont caractérisés et validés. Le projet de guidage magnétique prend tout son sens avec la réalisation d'expérimentation in-vivo, où nous parvenons à guider un fil-guide muni d'un embout magnétique de 0.9 mm de diamètre dans le système vasculaire de lapins vivants.  ABSTRACT: The use of microrobots in minimally invasive surgery is a very active research field where potential applications are numerous. The goal is to provide medical teams with technical tools in order to help them overcoming some of their current issues : invasive treatments, inaccessible areas, nosocomial infections, etc. Microrobots have indeed the potential to reach areas previously inaccessible by surgeons while being introduced into the body with a small incision with reduced risk. They can be functionalized to perform many kind of tasks: drug delivery, biopsy, stent deployment, ablation, etc. Reducing the size of such a device while providing the energy necessary for its operation is a major challenge. We propose the use of magnetic forces to this purpose, the force can be generated and controlled from outside the microrobot. Our method takes advantage of a magnetic resonance imaging scanner (MRI). MRI scanners are medical imaging tools widely used in hospitals. They have the key characteristic of being composed of a powerful permanent magnetic field and three-dimensional magnetic gradient coils which can apply variations on the main field very quickly and precisely. These gradients are able to generate the force we need to move a therapeutic device as it has been  validated by previous research. We are looking to reduce the size of the navigated devices. This causes a need for additional magnetic force that conflicts with the capabilities of MRI. We propose to enhance the MRI with equipment capable of generating a magnetic force 20 times higher.  Efficient navigation also needs the precise location of the device in the vascular system. This tracking part can also be performed by an alternate use of the MRI scanner. We take advantage of the magnetic field distortion caused by the ferromagnetic element to isolate the source of the phenomenon. With these two possibilities, the MRI provides us with both a sensor and an actuator. In the end, the role of the controller can be played by the medical team who will guide the device into the vessel network. This master's thesis focuses on the making of such a platform at École Polytechnique de Montréal. We propose to study the case of the catheter navigation with a 0.9 mm diameter metal tip. To achieve magnetic navigation, we implement the localization technique presented earlier in the MRI of the Nanorobotics Laboratory. The implementation of this technique is then tested and validated for the positioning of a catheter (positioning accuracy and linearity, influence of parameters). We also learn to use the new magnetic gradient equipment intended for propulsion. This prototype is tested to determine its suitability for our needs and how to take advantage of it. Our experiments show that the propulsion system may be used with catheter navigation procedures, however we identified issues that prevent it from running closed loop controlled particles steering procedures. We finally design and implement a set of software to assemble our tracking and propulsion system in a coherent platform to be used by a medical team. A real-time server is designed to take control of the propulsion system. We design a GUI client that communicates with him through network. The infrastructure is tested and improved with the feedback expressed by users in order to achieve an effective and user-friendly platform. Numerous tests in in-vitro conditions are achieved during this study, all platform components are characterized and validated. The proposed magnetic navigation procedure is brought to completion with in-vivo experiments where we navigate a guidewire with a 0.9 mm magnetic tip in the vasculature of live rabbits.


identifier: Doucet-Koussaya, W. (2012). Analyse exploratoire de transactions de cartes à puces sur le réseau du métro de Montréal  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'implantation des systèmes d'acquisition de données automatisés en transport en commun permet aujourd'hui d'acquérir des données d'achalandage de manière continue. En sondant le réseau de façon passive, c'est-à-dire sans interaction avec l'usager, ces systèmes collectent des données qui offrent une richesse spatiotemporelle que les enquêtes traditionnelles ne permettent pas d'obtenir. Par ailleurs, les données de service planifié sont maintenant générées dans un format standard dans la plupart des sociétés de transport, soit le format GTFS. Ce format impose la génération de différents fichiers qui contiennent, entre autres, la position des arrêts et stations, et les temps de passage à la minute près de tous les véhicules de transport en commun. L'objectif de cette recherche est d'examiner le potentiel théorique de l'assemblage de ces différentes sources de données pour le réseau de métro de Montréal, en évaluant l'efficacité de logiciels ouverts, ou « open source ». Les données de transactions par cartes à puce en lien avec le métro présentent certaines caractéristiques qui affineront les analyses. D'une part, l'équipement de perception est fixe en station, ce qui élimine l'incertitude quant à l'emplacement des transactions effectuées dans le métro. Cette caractéristique simplifie les traitements qui doivent être appliqués aux données avant d'en faire l'exploitation. D'autre part, l'empreinte des données de transactions étant à la seconde, il devient possible d'analyser la dynamique par véhicule dans le réseau de métro. Le projet débute en rappelant les concepts associés à un réseau de métro et à la tarification par carte à puce, et en cernant le rôle des technologies informationnelles en transport. Ensuite, une structure est établie pour associer les données aux objets auxquels elles font référence. Cette étape est fondamentale pour la suite des manipulations, qui consistent à traiter et enrichir les données. Les procédures de traitement et d'enrichissement reposent sur des hypothèses qui elles, dépendent des objets présents dans la base de données, et de leurs attributs.  ABSTRACT: The recent implementation of automated data collection systems among transit networks allows continuous data retrieval that provides spatial and temporal load information. Passive surveying of the network using smart card data is done without any interaction with the transit user, and the data gathered by the systems offers a spatial and temporal richness that traditional surveying methods cannot match. Along with the automated data collection systems is the GTFS. It is the new standard in terms of planned service format within transit authorities. The GTFS requires a certain amount of information that specifies stop spatial coordinates and stop times of each vehicle. The main objective of this research is to examine the theoretical possibilities that arise from the combination of these different data sources using open source software. Smart card transactions associated with the metro show different characteristics that will facilitate data analysis. On one hand, the automatic fare collection system position is fixed in space. This way, the uncertainty concerning spatial location of transactions is eliminated. This aspect of the data will greatly simplify data processing and enrichment. On the other hand, the precise time stamp associated to the transactions data makes it possible to analyse the dynamics of loadings and alighting's of metro cars, the loads at a particular station or individual itineraries. The first part of the project consists in a reminder of fundamental concepts tied to a metro network and to smart card attributes, and positions the role of information technologies in the field of public transit. Secondly, it establishes a work structure to define objects linked to the data collected. This step represents the backbone of the following sections concerning data processing and data enrichment. Data processing and data enrichment are based on different hypothesis that depend on the objects defined in the database as well as their attributes.


identifier: Amrane, T. (2012). Fabrication et caractérisation de cavités organiques à modes de galerie  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de maitrise, réalisé au sein du laboratoire de microphotonique, a pour objectif de combiner l'efficacité photoluminescente d'un matériau organique semi-conducteur avec la capacité de confinement des cavités à modes de galerie. L'application visée avec ce système résonateur-polymère est l'étude de l'interaction lumière-matière. Particulièrement, l'interaction forte entre un photon de cavité et un exciton crée dans le semi-conducteur afin d'être utilisé comme milieu pour la création d'un condensat de Bose-Einstein de polaritons. La réalisation de ce projet s'articule autour de deux approches, la première est le couplage de la photoluminescence d'un matériau organique semi-conducteur dans les modes de résonance d'une cavité en oxyde de silicium, et la deuxième approche est de développer un procédé de fabrication pour des cavités à modes de galerie avec le matériau organique intégré. Le couplage de la photoluminescence dans le résonateur se fait grâce à des microsphères recouvertes de matériau organique. Les pics de résonances obtenus dans le spectre d'émission du copolymère ont permis de confirmer l'interaction possible entre sa photoluminescence et les cavités optiques fabriquées au sein du laboratoire. Le développement d'un procédé de fabrication pour des résonateurs en forme de disque avec un matériau organique s'est heurté à la difficulté de ne pas altérer le semi-conducteur lors des étapes de photolithographie. La solution a été d'utiliser un polymère de structuration, transparent dans le spectre d'absorption et d'émission du matériau organique semi-conducteur, et qui le protège lors des étapes de développement et de gravure. Les cavités à modes de galerie fabriquées montrent un facteur de qualité pouvant atteindre 5x104, leur caractérisation en tant que cavités passives laisse prévoir une utilisation prochaine de ces cavités en mode actif pour autant que la détection en champ lointain soit assez précise pour focaliser l'objectif de récolte sur le bord des cavités organiques où l'émission a lieu.  ABSTRACT: The aim of this master project is to combine the high quality factor of whispering gallery optical microcavities with the high photoluminescence efficiency of conjugated polymers. These polymer-cavity composite systems have a great potential for studying the interaction of light and matter in the strong coupling regime. In particular, this system would offer a great opportunity to create a Bose-Einstein condensate of polaritons, the quasi-particles made from a strong interaction between excitons and photons. Organic semiconductors, with their large delocalized excitons, coupled to good whispering gallery cavities with high quality factors and small volumes are an ideal system for this purpose. Two approaches toward this end were explored: in the first approach a pre-existing dielectric whispering gallery cavity was coated with a thin film of conjugated polymer, while in the second one the whispering gallery cavity was fabricated directly with the organic semi-conductor. For testing the first approach, a silica microsphere was dip-coated with copolymer, and the interaction between the whispering gallery modes in the microcavity and the copolymer was studied using photoluminescence spectroscopy. The well-defined resonances obtained at the emission wavelength of the organic material confirm the effective coupling between the photoluminescence and the modes of the cavity. In the second approach, we developed a process to fabricate microdisk cavities with the copolymer. The difficulty in this approach lies in the sensitivity of the organic semiconductor to the microfabrication process. It is critical to avoid dissolving or otherwise altering it during the photolithographic steps. For this purpose a protective polymer, parylene-C, is deposited on the top of the copolymer. This protective polymer was chosen to be transparent at the absorption and emission wavelengths of the copolymer and inert in the solvents used during the different steps of microfabrication. The development of this fabrication process allowed us to obtain a whispering gallery cavity with a quality factor of 5x104. These promising results suggest future uses of this cavity to explore the interactions between the polymer and the cavity modes. The adequate setup for the detection of edge-emitted photoluminescence in copolymer microdisks is in progress and will be available for the future characterisation of organic whispering gallery cavities. The development of this polymer-based whispering gallery cavities is the first step along the way toward demonstrating a polariton Bose-Einstein condensate.


identifier: Lombaert, H. (2012). Atlas Construction for Measuring the Variability of Complex Anatomical Structures  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La recherche sur l'anatomie humaine, en particulier sur le cœur et le cerveau, est d'un intérêt particulier car leurs anomalies entraînent des pathologies qui sont parmi les principales causes de décès dans le monde et engendrent des coûts substantiels.  Heureusement, les progrès en imagerie médicale permettent des diagnostics et des traitements autrefois impossibles.  En contrepartie, la quantité phénoménale de données produites par ces technologies nécessite le développement d'outils efficaces pour leur traitement.  L'objectif de cette thèse est de proposer un ensemble d'outils permettant de normaliser des mesures prélevées sur différents individus, essentiels à l'étude des caractéristiques de structures anatomiques complexes. La normalisation de mesures consiste à rassembler une collection d'images dans une référence commune, aussi appelée construction d'atlas numériques, afin de combiner des mesures provenant de différents patients.  Le processus de construction inclut deux étapes principales; la segmentation d'images pour trouver des régions d'intérêts et le recalage d'images afin de déterminer les correspondances entres régions d'intérêts.  Les méthodes actuelles de constructions d'atlas peuvent nécessiter des interventions manuelles, souvent fastidieuses, variables, et sont en outre limitées par leurs mécanismes internes.  Principalement, le recalage d'images dépend d'une déformation incrémentales d'images sujettes a des minimums locaux. Le recalage n'est ainsi pas optimal lors de grandes déformations et ces limitations requièrent la nécessite de proposer de nouvelles approches pour la construction d'atlas. Les questions de recherche de cette thèse se concentrent donc sur l'automatisation des méthodes actuelles ainsi que sur la capture de déformations complexes de structures anatomiques, en particulier sur le cœur et le cerveau.  La méthodologie adoptée a conduit à trois objectifs de recherche spécifiques.  Le premier prévoit un nouveau cadre de construction automatise d'atlas afin de créer le premier atlas humain de l'architecture de fibres cardiaques.  Le deuxième vise à explorer une nouvelle approche basée sur la correspondance spectrale, nommée FOCUSR, afin de capturer une grande variabilité de formes sur des maillages.  Le troisième aboutit finalement à développer une approche fondamentalement différente pour le recalage d'images à fortes déformations, nommée les démons spectraux.  Le premier objectif vise plus particulièrement à construire un atlas statistique de l'architecture des fibres cardiaques a partir de 10 cœurs ex vivo humains.  Le système développé a mené à deux contributions techniques et une médicale, soit l'amélioration de la segmentation de structures cardiaques et l'automatisation du calcul de forme moyenne, ainsi que notamment la première étude chez l'homme de la variabilité de l'architecture des fibres cardiaques.  Pour résumer les principales conclusions, les fibres du cœur humain moyen varient de +- 12 degrés, l'angle d'helix s'étend entre -41 degrés (+- 26 degrés)  sur l'épicarde à +66 degrés (+- 15 degrés) sur l'endocarde, tandis que l'angle transverse varie entre +9 degrés (+- 12 degrés) et +34 degrés (+- 29 degrés) à travers le myocarde.  Ces résultats sont importants car ces fibres jouent un rôle clef dans diverses fonctions mécaniques et électrophysiologiques du cœur.   Le deuxième objectif cherche à capturer une grande variabilité de formes entre structures anatomiques complexes, plus particulièrement entre cortex cérébraux à cause de l'extrême variabilité de ces surfaces et de leur intérêt pour l'étude de fonctions cognitives.  La nouvelle méthode de correspondance surfacique, nommée FOCUSR, exploite des représentations spectrales car l'appariement devient plus facile et rapide dans le domaine spectral plutôt que dans l'espace Euclidien classique.  Dans sa forme la plus simple, FOCUSR améliore les méthodes spectrales actuelles par un recalage non rigide des représentations spectrales, toutefois, son plein potentiel est atteint en exploitant des données supplémentaires lors de la mise en correspondance.  Par exemple, les résultats ont montré que la profondeur des sillons et de la courbure du cortex cérébral améliore significativement la correspondance de surfaces de cerveaux.  Enfin, le troisième objectif  vise à améliorer le recalage d'images d'organes ayant des fortes variabilités entre individus ou subis de fortes déformations, telles que celles créées par le mouvement cardiaque.  La méthodologie amenée par la correspondance spectrale permet d'améliorer les approches conventionnelles de recalage d'images.  En effet, les représentations spectrales, capturant des similitudes géométriques globales entre différentes formes, permettent de surmonter les limitations actuelles des méthodes de recalage qui restent guidées par des forces locales.  Le nouvel algorithme, nommé démons spectraux, peut ainsi supporter de très grandes déformations locales et complexes entre images, et peut être tout autant adapté a d'autres approches, telle que dans un cadre de recalage conjoint d'images.  Il en résulte un cadre complet de construction d'atlas, nommé démons spectraux multijoints, où la forme moyenne est calculée directement lors du processus de recalage plutôt qu'avec une approche séquentielle de recalage et de moyennage.  La réalisation de ces trois objectifs spécifiques a permis des avancées dans l'état de l'art au niveau des méthodes de correspondance spectrales et de construction d'atlas, en permettant l'utilisation d'organes présentant une forte variabilité de formes.  Dans l'ensemble, les différentes stratégies fournissent de nouvelles contributions sur la façon de trouver et d'exploiter des descripteurs globaux d'images et de surfaces.  D'un point de vue global, le développement des objectifs spécifiques établit un lien entre : a) la première série d'outils, mettant en évidence les défis à recaler des images à fortes déformations, b) la deuxième série d'outils, servant à capturer de fortes déformations entre surfaces mais qui ne reste pas directement applicable a des images, et c) la troisième série d'outils, faisant un retour sur le traitement d'images en permettant la construction d'atlas a partir d'images ayant subies de fortes déformations.  Il y a cependant plusieurs limitations générales qui méritent d'être investiguées, par exemple, les données partielles (tronquées ou occluses) ne sont pas actuellement prises en charge les nouveaux outils, ou encore, les stratégies algorithmiques utilisées laissent toujours place à l'amélioration. Cette thèse donne de nouvelles perspectives dans les domaines  de l'imagerie cardiaque et de la neuroimagerie, toutefois, les nouveaux outils développés sont assez génériques pour être appliqués a tout recalage d'images ou de surfaces.  Les recommandations portent sur des recherches supplémentaires qui établissent des liens avec la segmentation à base de graphes, pouvant conduire à un cadre complet de construction d'atlas où la segmentation, le recalage, et le moyennage de formes seraient tous interdépendants.  Il est également recommandé de poursuivre la recherche sur la construction de meilleurs modèles électromécaniques cardiaques à partir des résultats de cette thèse.  En somme, les nouveaux outils offrent de nouvelles bases de recherche et développement pour la normalisation de formes, ce qui peut potentiellement avoir un impact sur le diagnostic, ainsi que la planification et la pratique d'interventions médicales.  ABSTRACT: Research on human anatomy, in particular on the heart and the brain, is a primary concern for society since their related diseases are among top killers across the globe and have exploding associated costs.  Fortunately, recent advances in medical imaging offer new possibilities for diagnostics and treatments.  On the other hand, the growth in data produced by these relatively new technologies necessitates the development of efficient tools for processing data.  The focus of this thesis is to provide a set of tools for normalizing measurements across individuals in order to study complex anatomical characteristics. The normalization of measurements consists of bringing a collection of images into a common reference, also known as atlas construction, in order to combine measurements made on different individuals.  The process of constructing an atlas involves the topics of segmentation, which finds regions of interest in the data (e.g., an organ, a structure), and registration, which finds correspondences between regions of interest.  Current frameworks may require tedious and hardly reproducible user interactions, and are additionally limited by their computational schemes, which rely on slow iterative deformations of images, prone to local minima.  Image registration is, therefore, not optimal with large deformations.  Such limitations indicate the need to research new approaches for atlas construction. The research questions are consequently addressing the problems of automating current frameworks and capturing global and complex deformations between anatomical structures, in particular between human hearts and brains.  More precisely, the methodology adopted in the thesis led to three specific research objectives.  Briefly, the first step aims at developing a new automated framework for atlas construction in order to build the first human atlas of the cardiac fiber architecture.  The second step intends to explore a new approach based on spectral correspondence, named FOCUSR, in order to precisely capture large shape variability.  The third step leads, finally, to a fundamentally new approach for image registration with large deformations, named the Spectral Demons algorithm. The first objective aims more specifically at constructing a statistical atlas of the cardiac fiber architecture from a unique human dataset of 10 ex vivo hearts.  The developed framework made two technical, and one medical, contributions, that are the improvement of the segmentation of cardiac structures, the automation of the shape averaging process, and more importantly, the first human study on the variability of the cardiac fiber architecture.  To summarize the main finding, the fiber orientations in human hearts has been found to vary with about +- 12 degrees, the range of the helix angle spans from -41 degrees (+- 26 degrees) on the epicardium to +66 degrees (+- 15 degrees) on the endocardium, while, the range of the transverse angle spans from +9 degrees (+- 12 degrees) to +34 degrees (+- 29 degrees) across the myocardial wall.  These findings are significant in cardiology since the fiber architecture plays a key role in cardiac mechanical functions and in electrophysiology.  The second objective intends to capture large shape variability between complex anatomical structures, in particular between cerebral cortices due to their highly convoluted surfaces and their high anatomical and functional variability across individuals.  The new method for surface correspondence, named FOCUSR, exploits spectral representations since matching is easier in the spectral domain rather than in the conventional Euclidean space.  In its simplest form, FOCUSR improves current spectral approaches by refining spectral representations with a nonrigid alignment; however, its full power is demonstrated when using additional features during matching.  For instance, the results showed that sulcal depth and cortical curvature improve significantly the accuracy of cortical surface matching. Finally, the third objective is to improve image registration for organs with a high inter-subject variability or undergoing very large deformations, such as the heart.  The new approach brought by the spectral matching technique allows the improvement of conventional image registration methods.  Indeed, spectral representations, which capture global geometric similarities and large deformations between different shapes, may be used to overcome a major limitation of current registration methods, which are in fact guided by local forces and restrained to small deformations.  The new algorithm, named Spectral Demons, can capture very large and complex deformations between images, and can additionally be adapted to other approaches, such as in a groupwise configuration.  This results in a complete framework for atlas construction, named Groupwise Spectral Demons, where the average shape is computed during the registration process rather than in sequential steps.  The achievements of these three specific objectives permitted advances in the state-of-the-art of spectral matching methods and of atlas construction, enabling the registration of organs with significant shape variability.  Overall, the investigation of these different strategies provides new contributions on how to find and exploit global descriptions of images and surfaces.  From a global perspective, these objectives establish a link between: a) the first set of tools, that highlights the challenges in registering images with very large deformations, b) the second set of tools, that captures very large deformations between surfaces but are not applicable to images, and c) the third set of tools, that comes back on processing images and allows a natural construction of atlases from images with very large deformations.  There are, however, several general remaining limitations, for instance, partial data (truncated or occluded) is currently not supported by the new tools, or also, the strategy for computing and using spectral representations still leaves room for improvement. This thesis gives new perspectives in cardiac and neuroimaging, yet at the same time, the new tools remain general enough for virtually any application that uses surface or image registration.  It is recommended to research additional links with graph-based segmentation methods, which may lead to a complete framework for atlas construction where segmentation, registration and shape averaging are all interlinked.  It is also recommended to pursue research on building better cardiac electromechanical models from the findings of this thesis.  Nevertheless, the new tools provide new grounds for research and application of shape normalization, which may potentially impact diagnostic, as well as planning and performance of medical interventions.


identifier: Pons, J.-F. (2012). Conception d'une plateforme d'Animats destinée à l'étude d'aglgorithmes d'apprentissage appliqués à la survie en environnement réel  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le présent mémoire résume les travaux de maîtrise réalisés dans l'optique de proposer une plateforme de déploiement et d'analyse d'algorithmes d'apprentissage appliqués aux animats. Les animats désignent des agents minimalement équipés aussi bien sur le plan mécanique qu'en termes de puissance de calcul. Néanmoins, la théorie gravitant autour de l'étude de ces entités vise à mettre en avant des méthodes d'apprentissages permettant à ceux-ci d'évoluer à partir de ce qu'ils auront appris de leur expérience dans l'environnement. À l'image des êtres vivants, les différences de perception du milieu environnant devraient permettre de voir naître des particularités et des comportements différents pour chacun d'entre eux. Par ailleurs, ces animats devraient avoir la faculté de pouvoir communiquer entre eux dans le but de permettre, s'ils le désirent, de pouvoir partager de l'information et de se servir d'une connaissance et d'un apprentissage communs pour assouvir ce qui devrait être leur principal objectif : survivre dans leur environnement. Le domaine de recherche des animats comprend aussi bien l'étude des animats simulés que celle des animats réels. Alors que le premier permet un déploiement facilité par l'abstraction rendue possible par les langages de haut niveau, la nécessité de devoir simuler un environnement avec l'ensemble de ses singularités induit une erreur de modélisation qui n'existe pas lorsque les animats sont physiquement réalisés. Par conséquent, si une telle plateforme était disponible, il serait alors seulement nécessaire de se concentrer sur les algorithmes d'apprentissage plutôt que sur des problèmes de modélisation. Par ailleurs, bien souvent, des algorithmes puissants lors des simulations se retrouvent inadaptés pour des problèmes réels de par le manque de fidélité entre l'environnement simulé et réel. Notamment, qu'adviendrait-il si un capteur devenait défectueux? Si une situation inconnue était rencontrée? Si le bruit ou la précision des capteurs avait mal été modélisés?Dans ce contexte, nous proposons d'étudier et de concevoir ce qui sera la base d'une plateforme de développement et d'analyse d'algorithmes d'apprentissage. À la différence des plateformes existantes, la principale originalité de cette plateforme réside dans la prise en compte des problèmes énergétiques. En effet, pour pouvoir survivre l'animat devrait être capable d'estimer et de prévoir ses dépenses énergétiques présentes et futures et de les prendre en considération dans le choix des tâches à effectuer.  ABSTRACT: This master's thesis summarizes the achievements realized towards proposing a platform for deployment and analysis of machine learning algorithms applied to animats. Animats are agents minimally equipped on the mechanical plan as well as in terms of computing power. Nevertheless, the theory describing the study of these entities aims at discovering learning methods allowing them to evolve using what they learnt from their experience in the environment. Just like human beings, differences in perception of the surrounding environment should allow peculiarities and several behaviors for each of them. Besides, these animats should be able to communicate between them so as to allow, if needed, to share information and to use common knowledge and learning in order to succeed in what should be their main objective: survive in their environment.  The research field of animats includes the study of simulated and real animats. While the former allows a facilitated deployment due to the abstraction made possible by high-level languages, the necessity to emulate an environment with all peculiarities can lead to modeling errors that may be avoided when animats are physically built. Consequently, if such a platform was available, it would only be necessary to focus on the learning algorithms rather than on the modelling problems. Besides, very often, powerful algorithms tested on simulation may prove themselves unsuitable for real problems in real environments. For instance, it is hard to predict what would happen if a sensor became defective, if an unexpected situation was met, or if the noise or the precision of the sensors was not properly modeled.In this context, we suggest studying and designing what will be the base of a platform for development and analysis of learning algorithms. Unlike the existing platforms, the main originality of this platform lies in the consideration of energy constraints. Indeed, to enhance its survivability, the animat should be able to estimate and to plan its present and future energy consumption and to consider it in the choices made. Besides, the objective was to design an animat sufficiently equipped to realize simple tasks but relatively primitive to make it necessary to take advantage of algorithmic parades, like for example the pooling of information. Therefore, the computing power embedded in the animat was purposely reduced to force the relocation of processing that proves too complex. On the other hand, a reduced size and a moderate price are necessary features to enable deployment of a colony of animats.


identifier: Dandres, T. (2012). Développement d'une méthode d'analyse du cycle de vie conséquentielle prospective macroscopique : évaluation d'une politique de bioénergie dans l'union européenne à l'horizon 2025  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement des activités humaines s'accompagne le plus souvent d'impacts sur l'environnement. Compte tenu des capacités limitées de la planète à subir ces impacts, il devient nécessaire d'encadrer le développement futur de la société humaine afin d'en minimiser les impacts négatifs sur l'environnement. Pour ce faire, l'analyse de cycle de vie apparait comme étant un outil très puissant, car capable d'évaluer différents types d'impacts environnementaux en se basant sur l'ensemble des étapes du cycle de vie d'un produit ou d'un service. Cependant, à l'heure actuelle, la méthode d'analyse de cycle de vie ne parait pas adaptée à l'évaluation des choix politiques affectant un grand nombre de produits et services, choix qui sont néanmoins rendus nécessaires par certaines problématiques environnementales globales. En particulier, dans le cadre de la lutte contre les changements climatiques, l'analyse de cycle de vie ne permet pas de modéliser précisément les conséquences environnementales indirectes liées à la transition globale requise pour le secteur énergétique. Pour ce faire, il est nécessaire de modéliser l'ensemble de l'économie, car un changement important du secteur énergétique est susceptible d'affecter les autres secteurs économiques et donc d'occasionner indirectement des impacts environnementaux. Ainsi, cette thèse propose un nouvel outil de prise de décision, l'analyse de cycle de vie macroscopique, basé sur l'analyse de cycle de vie et le modèle macroéconomique GTAP. Cette nouvelle méthode a pour objectif l'évaluation des impacts environnementaux attribués aux changements à grande échelle survenant dans la société. L'évaluation environnementale de deux politiques énergétiques européennes sur la période 2005-2025 à l'aide de l'analyse de cycle de vie macroscopique illustre la capacité de la méthode à modéliser certains effets rebonds économiques néfastes à l'environnement et à positionner les bénéfices environnementaux d'une politique de bioénergie relativement aux impacts environnementaux causés par le développement global des activités humaines sur la période considérée. Il apparait aussi que la méthode permet d'identifier les régions les plus affectées et les périodes au cours desquelles les impacts environnementaux surviendraient. L'analyse de cycle de vie macroscopique ouvre d'importantes perspectives pour l'application de l'analyse de cycle de vie : alors que l'analyse de cycle de vie est habituellement utilisée pour évaluer le profil environnemental d'un produit ou d'un service, il devient désormais possible d'évaluer des décisions affectant simultanément de nombreux produits et services sur le long terme. Enfin, de par sa capacité à modéliser les sphères économique et environnementale, et grâce au développement de l'analyse de cycle de vie sociale, vi l'analyse de cycle de vie macroscopique tend à se positionner non pas seulement comme un outil d'évaluation environnementale, mais aussi comme un outil de développement durable.  ABSTRACT: Most of the time, the increase in human activities harms the environment. Due to the capacity limit of the Earth to bear such impacts and considering the growth of world population and its demands, there is a need to manage the future growth of human society in order to mitigate its impacts on the environment. Life cycle assessment (LCA) seems to be a great methodology for this purpose because it assesses different types of environmental impacts of a product or service based on all of its life cycle stages. However, it appears that LCA is not adapted to the evaluation of large-scale international policies required for some environmental issues. Especially, current LCA methodology fails to properly model indirect consequences on the environment of a major change within the energy sector in order to reduce greenhouse gas emissions and mitigate climate change. To model these indirect consequences on the environment, global economy modeling is required as a major change in the energy sector is expected to affect the rest of the economy and therefore to cause indirect environmental impacts. This is the goal of this university thesis: Develop a new decision tool "macroscopic life cycle assessment" using the LCA methodology and the GTAP macroeconomic model in order to assess environmental impacts caused by significant changes in human society. Application of macroscopic LCA to two different European energy policies for the 2005-2025 period shows its ability to model some rebound effects and to compare environmental benefits obtained from a bioenergy policy versus environmental impacts caused by the economic growth during 2005-2025. Additionally, the method allows to identify regions where and time periods when environmental impacts are expected to occur. Macroscopic LCA has important application opportunities for LCA: while the methodology is usually used to study the environmental profile of a product or service, it now becomes possible to evaluate environmental consequences of a decision affecting many products and services. Moreover, thanks to recent developments in social LCA and due to its capacity to model economic and environmental impacts, the macroscopic LCA will eventually become not only an environmental evaluation tool but a sustainable evaluation tool as well.


identifier: Pakravan Lonbani, M. (2012). Production of Chitosan-Based Non-Woven Membranes Using the Electrospinning Process  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le chitosane est un polymère naturel modifié produit à partir de la chitine, un des matériaux organiques le plus abondant dans la nature. Les applications biomédicales du chitosane tels que les échafaudages en génie tissulaire et les pansements d'aide à la cicatrisation ont beaucoup attiré l'attention ces derniers temps en raison de l'origine naturelle du chitosane et ses propriétés exceptionnelles telles que la biodégradabilité, la biocompatibilité et la non-toxicité. Les mats nanoporeuses de chitosane présentent les propriétés physico-chimiques spécifiques du matériau de base et bénéficient aussi des caractéristiques physiques de ces membranes en raison de leur morphologie et de grande surface spécifique. Réaliser ces structures en satisfaisant à des exigences essentielles telles que la flexibilité et une porosité élevée reste toujours difficile. L'électrofilage est une nouvelle technique développée récemment pour générer des fibres de polymères de taille nanométrique. Grâce à cette technique, des mats non-tissés poreux ayant une surface nettement élevée par rapport à la masse (généralement de 40 à 100 m2 Le but de ce travail est de fabriquer des membranes microporeuses non-tissées à base de nanofibres de chitosane pour des pansements de cicatrisation et pour filtrer les ions métalliques lourds de l'eau potable. Par conséquent, la préparation de nanofibres à haute teneur en chitosane à partir de solutions aqueuses est un objectif à atteindre pour ces applications. Dans cette thèse, deux approches ont été utilisées pour préparer les nanofibres à base de chitosane: l'électrofilage d'un mélange d'une solution de chitosane avec une solution facilement électrofilable telle qu'une solution aqueuse d'oxyde de polyéthylène (PEO) – et l'électrofilage co-axial des deux solutions. /g) sont produits. Toutefois, la capacité d'électrofiler le chitosane est limitée principalement en raison de sa nature polycationique et de sa structure chimique rigide. Plusieurs démarches entreprises pour préparer des nanofibres électrofilées de chitosane n'ont pas réussi car les membranes préparées sont facilement dissoutes dans des solvants aqueux neutres et faibles acide, les propriétés des nanofibres sont affaiblies à cause de l'importante quantité de l'agent de co-électrofilage ou parce que les procédés utilisant des solvants nocifs dont les résidus peuvent se retrouver dans le produit final sont des préoccupations importantes. Par conséquent, l'interprétation du comportement des phases et la miscibilité des solutions aqueuses acides de chitosane et de PEO et leurs mélanges est d'une importance cruciale, vi puisqu'une séparation de phases ayant lieu pendant le procédé d'électrofilage change grandement la morphologie et les propriétés physico-mécaniques des produits finaux. Premièrement, l'approche rhéologique a été utilisée sur une solution aqueuse de PEO bien caractérisée pour élaborer le protocole expérimental. En comparant les points critiques observés avec ceux obtenus par d'autres techniques expérimentales, nous avons montré que des mesures rhéologiques peuvent détecter de manière sensible les stades précoces de séparation de phases. Par conséquent, le procédé a été appliqué à des solutions de PEO, de chitosane ou du mélange des deux à différents ratios, dilués dans une solution d'acide acétique à 50% en masse. Ces solutions ont montré une température critique de solubilité inférieure (LCST) sur le diagramme de phase, qui est attribuée à l'existence de liaisons hydrogène entre les groupes actifs du chitosane, la chaîne principale du PEO et le solvant. Les températures de séparation de phase critiques des points binodaux et spinodaux ont été estimées à partir d'expériences isochrones en balayage de température. Les températures binodales obtenues confirment que les solutions de chitosane / PEO sont miscibles et stables à des températures modérées et que la séparation de phases a lieu à des températures plus élevées de 60 – 75 °C. Alors, nous voulions comprendre de manière approfondie les propriétés de la solution chitosane / PEO qui permet d'obtenir un électrofilage réussi, c'est à dire continu et stable, et qui produit des nanofibres sans défaut et uniformes, des fibres sans relief ou non-perlées. Les effets de la composition du mélange et de la concentration en acide acétique sur les propriétés telles que la tension de surface et la conductivité, sur la possibilité d'électrofiler ces solutions ont été étudiés. Un chitosane fortement désacétylé (DDA = 97,5%) dans une solution d'acide acétique à 50% a été utilisé, c'est le degré le plus élevé de désacétylation du chitosane pour lequel il a été signalé que la préparation de nanofibres de chitosane était possible. Les caractéristiques rhéologiques de la solution de chitosane et de PEO, étant des paramètres importants du procédé d'électrofilage, ont été examinées et leurs relations avec la possibilité d'électrofiler ou non sont été évaluées. Comme nous avons montré que les solutions chitosane / PEO sont miscibles et stables à des températures modérées, un dispositif modifié pour électrofiler à des températures modérées (25-70 °C) a été conçu, permettant d'atteindre une quantité maximale de 90% en masse de chitosane dans des nanofibres non-perlées de chitosane / PEO ayant des diamètres de 60-80 nm de diamètre. Il a également été constaté que l'augmentation du rapport chitosane / vii PEO de 50/50 à 90/10 a conduit à une réduction remarquable du diamètre des nanofibres de 123 à 63 nm à température ambiante. En outre, nous avons constaté que des températures de procédé modérées (40-70 °C) aident à stabiliser le processus électrofilage de ces solutions et à produire des nanofibres non-perlées. Cependant, à des températures plus élevées (70-80 °C), le jet électrofilé est devenu instable et des fibres avec une morphologie perlée ont été obtenues. Ce phénomène a lieu dans une même gamme de températures que celle de la séparation de phases, déterminée précédemment par des études rhéologiques. Donc, la séparation de phases des solutions induite par la température est considérée comme à l'origine de cette observation. D'autre part, une étude par spectroscopie infra rouge à transformée de Fourier (FTIR) sur des films obtenu par évaporation du solvant et des nanofibres du mélange chitosane / PEO obtenues à la température ambiante a montré la présence d'interactions par liaison hydrogène entre le chitosane et le PEO. Ceci pourrait être une autre indication de la miscibilité entre ces deux polymères en solution à des températures modérées. Enfin, afin d'éliminer l'étape de mélange, et pour réduire la quantité de chitosane utilisé et positionner le chitosane sur la surface extérieure des nanofibres en vue des applications visées, la technique d'électrofilage coaxial a été utilisée. En utilisant le procédé en une étape d'électrofilage coaxial, des nanofibres avec une structure coeur-enveloppe de PEO / chitosane ont pour la première fois été produites à partir de solutions aqueuses, le chitosane étant l'enveloppe (couche extérieure) et le PEO le coeur (couche intérieure). Des nanofibres uniformes et sans défauts de 100-190 nm de diamètre ont été produites. La nanostructure coeur-enveloppe et la présence de chitosane à la surface ont été confirmées par des images TEM obtenues avant et après le lavage à l'eau du PEO contenu. La présence du chitosane à la surface des nanofibres composites a aussi été confirmée par des analyses XPS. L'analyse de la composition, de manière générale ou locale, a été effectuée par thermogravimétrie (TGA) et par FTIR, respectivement, pour examiner l'homogénéité des nanofibres. De plus, il a été montré que les nanofibres de chitosane creuses ont pu être obtenues par l'extraction du PEO dans les nanofibres coaxiales de PEO / chitosane, ce qui pourrait être d'un grand intérêt dans des applications comme la purification du sang en hémodialyse.  ABSTRACT: Chitosan is a modified natural polymer mainly produced from chitin, one of the most abundant organic materials in the world. Highly porous chitosan mats present the specific physicochemical properties of the base material and also benefit from the physical characteristics of nanoporous membranes. Electrospinning is a novel technique developed long time ago and revisited recently that can generate polymeric fibers with nanometric size. The ultimate purpose of this work is to fabricate microporous non-woven chitosan membranes for wound healing dressings and heavy metal ion removal from drinking water. In this dissertation, two approaches have been utilized to prepare chitosan-based nanofibers; blending and co-axial electrospinning of chitosan solution with a readily electrospinnable solution, i.e. an aqueous solution of polyethylene oxide (PEO). Consequently, understanding the phase behavior and miscibility of aqueous acidic solutions of chitosan and PEO and their blends is of crucial importance, as any phase separation occurring during the electrospinning process greatly changes the morphology and physico-mechanical properties of the final products. First we employed the rheological approach on a well-known aqueous PEO solution to develop the experimental protocol. By comparing these critical points with that obtained from other experimental techniques, we showed that rheological measurements can sensitively detect early stages of phase separation. Subsequently the method was applied to 50 wt% aqueous acetic acid solutions of PEO, chitosan and their blends at different ratios. These solutions showed a lower critical solution temperature (LCST) phase diagram that is attributed to the existence of hydrogen bonds between active groups on chitosan and PEO backbone and the solvent. Critical decomposition temperatures for binodal and spinodal points were estimated from isochronal temperature sweep experiments. The obtained binodal temperatures confirmed that chitosan/PEO solutions are miscible and stable at moderate temperatures and phase separate at higher temperatures of 60-75 °C. Then, we intended to obtain a thorough understanding of chitosan/PEO solution properties that lead to a successful electrospinning process, i.e. continuous and stable, and which produces defect free uniform beadless nanofibers. The effect of blend composition and acetic acid ix concentration on properties such as surface tension and conductivity and, ultimately, on electrospinnability were investigated. A highly deacetylated chitosan (DDA=97.5 %) in 50% acetic acid was used, which is the maximum deacetylated chitosan grade that has been reported for the preparation of electrospun chitosan-based nanofibers. The rheological characteristics of the chitosan/PEO solutions as a controlling parameter in the electrospinning process were examined and their relationships to electrospinnability presented. As we showed that chitosan/PEO solutions are miscible and stable at moderate temperatures, a modified electrospinning set up to electrospin at temperatures of 25-70 °C was designed to achieve content as high as 90 wt% of chitosan in beadless chitosan/PEO nanofibers of 60-80 nm in diameter. It was also found that increasing chitosan/PEO ratio from 50/50 to 90/10 led to a remarkable diameter reduction from 123 to 63 nm at room temperature. Additionally, we found that moderate process temperatures help to stabilize the electrospinning process of these solutions and produce beadless nanofibers. However, at higher temperatures, the electrospun jet became unstable and beaded fiber morphology was obtained. This phenomena occurs closely at the temperature range of phase separation, previously determined by rheology studies. Therefore, temperature-induced phase separation of these solutions is considered as the reason for that observation. On the other hand, an FTIR study at room temperature on cast films and nanofibers of chitosan/PEO blends at room temperature showed the presence of hydrogen bonding interactions between chitosan and PEO that could be an another indication of miscibility between these two polymers in solution at moderate temperatures. Finally, in order to remove the blending step, reducing the amount of chitosan used and also to put chitosan right on the outer surface of the nanofibers for further related applications, a co-axial electrospinning technique was employed. By using a one-step co-axial electrospinning process, for the first time core-shell structured PEO-chitosan nanofibers from aqueous solutions were produced in which chitosan is located at the shell (outer layer) and PEO at the core (inner layer). Uniform sized defect-free nanofibers of 100-190 nm diameter were produced. The core-shell nanostructure and existence of chitosan on the shell layer were confirmed by TEM images obtained before and after washing the PEO content with water. The presence of chitosan on the surface of the composite nanofibers was further supported by XPS studies. Bulk and local compositional analysis is performed by thermal gravimetry (TGA) and Fourier transform infra-red spectroscopy (FTIR) techniques, respectively, to examine the homogeneity of the nanofibers. x Additionally, it was shown that hollow chitosan nanofibers could be obtained by PEO washing of the co-axial PEO/chitosan nanofibers, which could also be of great interest in applications such as blood purification in hemodialysis.