identifier: Jaramillo Herrera, R. (2016). Reliable, Context-Aware and Energy-Efficient Architecture for Wireless Body Area Networks in Sports Applications  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un Réseau Corporel Sans Fil (RCSF, Wireless Body Area Network en anglais ou WBAN) permet de collecter de l'information à partir de capteurs corporels. Cette information est envoyée à un hub qui la transforme et qui peut aussi effectuer d'autres fonctions comme gérer des événements corporels, fusionner les données à partir des capteurs, percevoir d'autres paramètres, exécuter les fonctions d'une interface d'utilisateur, et faire un lien vers des infrastructures de plus haut niveau et d'autres parties prenantes. La réduction de la consommation d'énergie d'un RCSF est un des aspects les plus importants qui doit être amélioré lors de sa conception. Cet aspect peut impliquer le développement de protocoles de Contrôles d'Accès au Support (CAS, Media Access Control en anglais ou MAC), protocoles de transport et de routage plus efficients. Le contrôle de la congestion est un autre des facteurs les plus importants dans la conception d'un RCSF, parce que la congestion influe directement sur la Qualité De Service (QDS, Quality of Service en anglais ou QoS) et l'efficience en énergie du réseau. La congestion dans un RCSF peut produire une grande perte de paquets et une haute consommation d'énergie. La QDS est directement impactée par la perte de paquets. L'implémentation de mesures additionnelles est nécessaire pour atténuer l'impact sur la communication des RCSF. Les protocoles de CAS pour RCSF devraient permettre aux capteurs corporels d'accéder rapidement au canal de communication et d'envoyer les données au hub, surtout pour les événements urgents tout en réduisant la consommation d'énergie. Les protocoles de transport pour RCSF doivent fournir de la fiabilité bout-à-bout et de la QDS pour tout le réseau. Cette tâche peut être accomplie par la réduction du ratio de perte de paquets (Packet Loss Ratio en anglais ou PLR) et de la latence tout en gardant l'équité et la faible consommation d'énergie entre les noeuds. Le standard IEEE 802.15.6 suggère un protocole de CAS qui est destiné à être applicable à tous les types de RCSF; toutefois, ce protocole peut être amélioré pour les RCSF utilisés dans le domaine du sport, où la gestion du trafic pourrait être différente d'autres réseaux. Le standard IEEE 802.15.6 comprend la QDS, mais cela ne suggère aucun protocole de transport ou système de contrôle du débit. Le but principal de ce projet de recherche est de concevoir une architecture pour RCSF en trois phases : (i) Conception d'un mécanisme sensible au contexte et efficient en énergie pour fournir une QDS aux RCSF; (ii) Conception d'un mécanisme fiable et efficient en énergie pour fournir une récupération des paquets perdus et de l'équité dans les RCSF; et (iii) Conception d'un système de contrôle du débit sensible au contexte pour fournir un contrôle de congestion aux RCSF. Finalement, ce projet de recherche propose une architecture fiable, sensible au contexte et efficiente en énergie pour RCSF utilisés dans le domaine du sport. Cette architecture fait face à quatre défis : l'efficacité de l'énergie, la sensibilité au contexte, la qualité de service et la fiabilité. La mise en place de cette solution aidera à l'amélioration des compétences, de la performance, de l'endurance et des protocoles d'entraînement des athlètes, ainsi qu'à la détection des points faibles. Cette solution pourrait être prolongée à l'amélioration de la qualité de vie des enfants, des personnes malades ou âgées, ou encore aux domaines militaires, de la sécurité et du divertissement. L'évaluation des protocoles et schémas proposés a été faite par simulations programmées avec le simulateur OMNeT++ et le système Castalia. Premièrement, le protocole de CAS proposé a été comparé avec les protocoles de CAS suivants : IEEE 802.15.6, IEEE 802.15.4 et T-MAC (Timeout MAC). Deuxièmement, le protocole de CAS proposé a été comparé avec le standard IEEE 802.15.6 avec et sans l'utilisation du protocole de transport proposé. Finalement, le protocole de CAS proposé et le standard IEEE 802.15.6 ont été comparés avec et sans l'utilisation du système de contrôle du débit proposé. Le protocole de CAS proposé surpasse les protocoles de CAS IEEE 802.15.6, IEEE 802.15.4 et T-MAC dans le pourcentage de pertes de paquets d'urgence et normaux, l'efficacité en énergie, et la latence du trafic d'urgence et du trafic normal. Le protocole de CAS proposé utilisé avec le protocole du transport proposé surpasse la performance du standard IEEE 802.15.6 dans le pourcentage de perte de paquets avec ou sans trafic d'urgence, l'efficacité en énergie, et la latence du trafic normal. Le système de contrôle du débit proposé a amélioré la performance du protocole de CAS proposé et du standard IEEE 802.15.6 dans le pourcentage de perte de paquets avec ou sans trafic d'urgence, l'efficacité en énergie, et la latence du trafic d'urgence.  ABSTRACT: Information collected from body sensors in a Wireless Body Area Network (WBAN) is sent to a hub or coordinator which processes the information and can also perform other functions such as managing body events, merging data from sensors, sensing other parameters, performing the functions of a user interface and bridging the WBAN to higher-level infrastructure and other stakeholders. The reduction of the power consumption of a WBAN is one of the most important aspects to be improved when designing a WBAN. This challenge might imply the development of more efficient Medium Access Control (MAC), transport and routing protocols. Congestion control is another of the most important factors when a WBAN is designed, due to its direct impact in the Quality of Service (QoS) and the energy efficiency of the network. The presence of congestion in a WBAN can produce a big packet loss and high energy consumption. The QoS is also impacted directly by the packet loss. The implementation of additional measures is necessary to mitigate the impact on WBAN communications. The MAC protocols for WBANs should allow body sensors to get quick access to the channel and send data to the hub, especially in emergency events while reducing the power consumption. The transport protocols for WBANs must provide end-to-end reliability and QoS for the whole network. This task can be accomplished through the reduction of both the Packet Loss Ratio (PLR) and the latency while keeping fairness and low power consumption between nodes. The IEEE 802.15.6 standard suggests a MAC protocol which is intended to be applicable for all kinds of WBANs. Nonetheless, it could be improved for sports WBANs where the traffic-types handling could be different from other networks. The IEEE 802.15.6 standard supports QoS, but it does not suggest any transport protocol or rate control scheme. The main objective of this research project is to design an architecture for WBANs in three phases: (i) Designing a context-aware and energy-efficient mechanism for providing QoS in WBANs; (ii) Designing a reliable and energy-efficient mechanism to provide packet loss recovery and fairness in WBANs; and (iii) Designing a context-aware rate control scheme to provide congestion control in WBANs. Finally, this research project proposes a reliable, context-aware and energy-efficient architecture for WBANs used in sports applications, facing four challenges: energy efficiency, context awareness, quality of service and reliability. The benefits of this solution will help to improve skills, performance, endurance and training protocols of athletes, and deficiency detection. Also, it could be extended to enhance the quality of life of children, ill and elderly people, and to security, military and entertainment fields. The evaluation of the proposed protocols and schemes was made through simulations programed in the OMNeT++ simulator and the Castalia framework. First, the proposed MAC protocol was compared against the IEEE 802.15.6 MAC protocol, the IEEE 802.15.4 MAC protocol and the T-MAC (Timeout MAC) protocol. Second, the proposed MAC protocol was compared with the IEEE 802.15.6 standard with and without the use of the proposed transport protocol. Finally, both the proposed MAC protocol and the IEEE 802.15.6 standard were compared with and without the use of the proposed rate control scheme. The proposed MAC protocol outperforms the IEEE 802.15.6 MAC protocol, the IEEE 802.15.4 MAC protocol and the T-MAC protocol in the percentage of emergency and normal packet loss, the energy effectiveness, and the latency of emergency and normal traffic. The proposed MAC protocol working along with the proposed transport protocol outperforms the IEEE 802.15.6 standard in the percentage of the packet loss with or without emergency traffic, the energy effectiveness, and the latency of normal traffic. The proposed rate control scheme improved the performance of both the proposed MAC protocol and the IEEE 802.15.6 standard in the percentage of the packet loss with or without emergency traffic, the energy effectiveness and the latency of emergency traffic.


identifier: Bérard, A. (2016). Modification de la surface des filets d'exclusion utilisés dans la production biologique de pommes dans l'est du Canada  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les filets d'exclusion sont utilisés dans la production de pommes organiques et sont une alternative aux insecticides. Malgré leurs nombreux avantages, l'utilisation de fongicides est encore nécessaire pour obtenir des pommes commercialement acceptables. En effet, certaines maladies se développent sur le feuillage et les fruits en raison de la diminution du temps d'évaporation de l'eau sous les filets. L'objectif de cette étude est de développer un filet superhydrophobe qui empêchera l'eau de pluie de traverser le maillage et ainsi causer des maladies aux pommiers. En premier lieu, la preuve de concept a été faite sur les filets d'exclusion en polyéthylène haute densité (HDPE) à l'aide d'un simulateur de pluie et un produit liquide commercial pour obtenir l'effet superhydrophobe. Puis, parmi toutes les options pour obtenir une surface superhydrophobe, la déposition en phase gazeuse initiée par les rayons UV (PICVD) a été choisi. Un plan expérimental a été développé afin d'arriver à une équation reliant les cinq facteurs indépendants (temps, pression, ratio H2/CO, position des échantillons et ajout de peroxyde d'hydrogène) en fonction de l'angle de contact. Une première approche cinétique a été faite reliant le temps et l'angle de contact selon la position de l'échantillon dans le réacteur. Les résultats démontrent une allure quadratique dans la majorité des cas. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ainsi que les images du microscope à force atomique (AFM) ont permis de conclure qu'il y a bel et bien une modification chimique de la surface. En raison de sa faible tolérance pour les rayons UV dans le cas du HDPE, le polyéthylène téréphtalate (PET) a été étudié pour un possible alternatif. Finalement, une mise à l'échelle du procédé PICVD a été faite pour une production annuelle de 140 hectares de filets d'exclusion modifiés.  ABSTRACT: Exclusion nets are used in the production of organic apples in eastern Canada and are an alternative to insecticides. Despite their many advantages, fungicides are still necessary. Indeed, many diseases can occur on the leaves and fruits due to the decrease of the evaporation time caused by net. The objective of this study is to develop a superhydrophobic coating on the net that will prevent rainwater to pass through the mesh and thus caused diseases to trees. First, the proof of concept was done on high-density polyethylene (HDPE) exclusion nets with a rain simulator. A commercial liquid treatment was used for the superhydrophobic effect. Then, of all the options to obtain a superhydrophobic surface, the vapour deposition initiated by UV (PICVD) was chosen. An experimental plan (DOE) was developed to reach an equation relating the five independent factors (time, pressure, ratio H2/CO, position of the samples and addition of hydrogen peroxide) as a function of contact angle. A first kinetic approach was made between time and contact angle according with the sample position in the reactor. The results show a quadratic shape in most cases. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) as well as pictures from atomic force microscope have concluded that there is a chemical modification of the surface after PICVD treatment. Due to HDPE low tolerance to UV, polyethylene terephthalate (PET) has been studied for a possible alternative. Finally, a scale up of PICVD process was made for an annual production of 140 hectares of modified exclusions nets.


identifier: Perreault, P. (2016). Modélisation cinétique de la réduction de minerais par le monoxyde de carbone utilisés dans le procédé de combustion en boucle chimique  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le procédé de combustion en boucle chimique est un procédé de production d'énergie générant un courant ne contenant que du dioxyde de carbone et de l'eau. Contrairement aux autres procédés de production d'énergie basés sur la combustion, les gaz ne sont pas dilués dans un courant riche en diazote (N2). Pour séparer le CO2 sans la pénalité énergétique de post-séparation, on utilise l'oxygène contenu dans un oxyde métallique (solide), séquentiellement oxydé et réduit dans deux réacteurs interconnectés. La configuration de lit fluidisé s'est graduellement imposée dans la littérature. Dans le réacteur d'oxydation, opéré en colonne montante (riser), le solide est réoxydé en présence d'air, et dans celui de réduction, opéré en régime bullant, on alimente un combustible (solide, liquide ou gazeux) qui servira d'agent réducteur. On récupère de l'énergie essentiellement dans le réacteur d'oxydation (variation d'enthalpie négative), mais certains oxydes sont aussi réduits par le biais d'une réaction exothermique (p. ex., cuivre). La somme des enthalpies d'oxydation et de réduction du solide est égale à la variation d'enthalpie de la combustion du combustible utilisé. Le déploiement du procédé à l'échelle industrielle repose sur l'identification d'un solide (porteur d'oxygène) pouvant transférer une grande quantité d'oxygène sur une base massique (capacité de transfert d'oxygène), ayant une cinétique rapide (minimisation du volume nécessaire pour une conversion donnée), résistant à l'attrition, non toxique, peu cher et chimiquement stable (désactivation lente). Les critères de non-toxicité et de faible coût favorisent l'utilisation de minerais dans le procédé (par opposition aux oxydes de synthèse). Le dimensionnement du procédé repose sur la connaissance des cinétiques d'oxydation et de réduction du solide. Or, la réaction d'oxydation est toujours beaucoup plus rapide (quelques secondes) que sa réduction (quelques minutes). Ainsi, pour le dimensionnement, la détermination de la cinétique de réduction est suffisante. L'ilménite (de formule FeTiO3) s'est graduellement imposée comme porteur d'oxygène d'origine minérale de référence en raison de son abondance et de sa tenue mécanique exemplaire. Malheureusement, celui-ci est sujet à l'agglomération et possède une capacité de transfert d'oxygène limitée. Nous avons préalablement identifié la pyrolusite (de formule MnO2 dans sa forme fraîche) comme porteur d'oxygène potentiel de remplacement pour l'ilménite. La pyrolusite est un minerai amorphe de manganèse, beacoup moins cher que l'ilménite et abondant. Lors de sa calcination, son degré de cristallinité augmente, et on peut identifier la bixbyite (Mn2O3), l'hausmannite (Mn3O4) et la manganosite (MnO) par analyse de diffraction à rayons X. Un des objectifs de cette thèse est d'identifier le meilleur candidat pour le procédé de combustion en boucle chimique en procédant à la comparaison des cinétiques de réduction par le monoxyde de carbone (CO) de l'ilménite et de la pyrolusite. L'ilménite a d'abord été préoxydé à 1000 �C durant 24 h afin de diminuer sa tendance à l'agglomération par frittage. Malheureusement, cette pratique a comme effet de diminuer sa capacité de transfert d'oxygène en raison de l'augmentation de sa cristallinité, et ce, malgré une augmentation de sa capacité de transfert d'oxygène théorique (formation de pseudobrookite ferrique, de formule Fe2TiO5). La capacité de transfert d'oxygène de l'ilménite fraîche est de 1,7 %, en comparaison à 1,2% pour la pseudobrookite ferrique, lorsque réduite durant 2 min avec du monoxyà carbone à 910 �C. Aux mêmes conditions, la pyrolusite transfère 2 %, et cette capacité double si on coalimente de l'hydrogène (sur la base de l'oxygène transféré au CO seulement, c.-à-d. en excluant la quantité d'hydrogène converti en eau). La cinétique de réduction des deux minerais peut être caractérisée de la même façon : soit une réaction de surface entre les molécules de CO et l'oxygène de surface, et une réaction de réoxydation des sites réduits par l'oxygène en provenance du réseau cristallin. Le modèle permet d'expliquer plus de 90 et 95% de la variance dans les données, pour l'ilménite et la pyrolusite, respectivement. Bien entendu, les valeurs numériques des énergies d'activation des deux oxydes diffèrent grandement. Dans le cas de la réaction de surface, elle est de 51 kJ mol−1 pour l'ilménite. Cette valeur est négative dans le cas de la réaction directe de réduction de la pyrolusite, en accord avec la diminution de l'avancement de cette réaction avec la température. La capacité de transfert d'oxygène tend vers une asymptote pour une augmentation de la température. Aussi, la réaction de réduction des sites surfaciques est réversible, c.-à-d. qu'il est possible de réduire le CO2 en CO à une vitesse augmentant avec la température. La caractérisation cinétique de la réduction de l'ilménite par le CO a aussi permis de déterminer que cette réaction est limitée par le transfert de matière externe, soit entre la volume du gaz et la surface de l'oxyde (théorique du film). Dans le cas de la pyrolusite, l'analyse des critères de Mears et de Weisz-Prater a permis de conclure que le régime est contrôlé par la cinétique. La réaction de réoxydation des sites surfaciques réduits par le CO présente une énergie d'activation de 89 kJ mol−1 pour l'ilménite, alors qu'elle est de 55 kJ mol−1 dans le cas de la pyrolusite La réaction moins aisée de réoxydation de la surface dans le cas de l'ilménite peut être expliquée par sa structure cristalline : des couches alternées Ti et Fe, induisant une certaine résistance étant donné que l'oxygène lié au titane n'est pas pas impliqué dans la réaction de réduction. L'effet de la cinétique plus rapide de la réduction de la pyrolusite se reflète sur l'inventaire de solide nécessaire dans le réacteur de réduction : une diminution d'un ordre de grandeur par unité de puissance thermique. En considérant une cinétique moyenne, on trouve des valeurs de 4,3 et 0,41 tMW−1 pour l'ilménite préoxydée et la pyrolusite, respectivement. Il a été question de modéliser la cinétique de ces réactions de réduction à l'aide de l'approche classique mécanistique. Le choix de cette méthode repose sur les nombreuses incongruités retrouvées dans la littérature concernant la cinétique de réduction de l'ilménite par le CO. Des auteurs différents (mais parfois les mêmes auteurs travaillant avec les mêmes données expérimentales) ont caractérisé la cinétique de réduction de l'ilménite par le CO tour à tour avec des modèles morphologiques (ne considérant que l'évolution de la structure du solide) à coeur rétrécissant (shrinking core) en une et trois dimensions (géométrie planaire et sphérique, respectivement), avec des ordres de réaction variant entre 0,67 et 2 pour le gaz, et des énergies d'activation allant du simple au double, révélant du coup la nature de pur ajustement mathématique de cette approche de modélisation. Nous avons montré que presque la moitié des formes canoniques de ces modèles parvenait à caractériser la courbe de conversion du solide, d'où la nécessité d'un modèle plus rigoureux. Malheureusement, la modélisation cinétique selon l'approche mécanistique fait intervenir des paramètres de surface difficilement mesurables. Par exemple, pour exprimer la variation de la concentration de sites oxydés, nous avons besoin de quantifier la densité surfacique de sites actifs (soit des atomes d'oxygène en surface). Nous avons réussi dans un premier temps à justifier la validité de notre approche ayant recours à un paramètre ajusté pour cette quantité. Les valeurs numériques ajustées ont permis de corroborer la diminution dans le temps de la densité surfacique de sites actifs avec le nombre de cycles de réduction. Ce phénomène peut être interprété par la tendance de l'ilménite à l'agglomération. Dans un deuxième temps, nous avons établi une méthode d'estimation de la densité surfacique de sites actifs. On peut interpréter la méthode comme une courbe de titration simulée. En effet, en discriminant entre réaction de surface et de diffusion, il est possible d'estimer la densité surfacique de sites en prenant l'aire sous la courbe de la concentration du pic initial de CO2 formé dans le cas de la réduction par le CO. Nous en avons illustré le principe à l'aide de la cinétique de réduction de l'ilménite : une fois la surface complètement réduite, on observe que la concentration de CO2 diminue jusqu'à zéro, n'étant affecté que par la dispersion axiale dans le réacteur et le transfert de matière. L'hypothèse sous-jacente à la méthode proposée est la supériorité de la vitesse de la réaction surfacique par opposition à celle de diffusion. La méthode respecte également les critères des méthodes de mesures chimiques existantes, soit l'utilisation d'une sonde chimique identique ou similaire à celle du réactif, et des conditions expérimentales de caractérisation de la surface le plus près possibles des conditions où la réaction a lieu. La méthode nécessite par contre un certain comportement chimique afin de fournir une borne supérieure pour la densité surfacique de sites, soit la saturation de la surface par les réactifs. Les profils de gaz obtenus lors de la réduction de la pyrolusite par le CO ont permis de constater une concentration maximale asymptotique de CO2 produite pour des concentrations de CO croissant. Ce faisant, nous avons pu estimer la densité surfacique de sites actifs de la pyrolusite à 40 μmolm−2, une valeur en accord avec les valeurs mesurées publiées d'oxydes de manganèse de synthèse. Nous nous sommes aussi intéressés à des améliorations à apporter au procédé CLC, en particulier à la valorisation des gaz de combustion. Nous avons en effet démontré la possibilité du reformage de gaz de combustion en gaz de synthèse à l'aide de la pyrolusite réduite. En effet, nous avons montré que la pyrolusite soumise à une centaine de cycles d'oxydoréductions sous méthane et oxygène (séquentiellement) à 800 �C devenait apte à réduire le CO2 en CO, de même que la vapeur d'eau en hydrogène. La production spécifique maximale de monoxyde de carbone atteint 5,5 mol kg−1 entre 810 et 960 �C, même pour un temps de contact de seulement 0,01 s. Cette valeur correspond à 100 fois celle des meilleurs catalyseurs de synthèse, les pérovskites à base de Sr, Ce et Fe. De même, la production d'hydrogène a atteint un maximum de 4,8 mol kg−1 à 947 �C, soit le double des valeurs obtenues à l'aide du cycle dit hercynite à l'aide de catalyseurs de CoFe2O4 et Al2O3. Finalement, nous nous sommes intéressés au couplage d'un oxyde de cuivre et d'un oxyde de calcium dans un contexte de production d'hydrogène. Pour pallier les inefficacités du procédé classique d'enlèvement du CO2 des gaz de reformage dans une tour de lavage, nous avons fait appel à un oxyde mixte cuivre-calcium. Cet oxyde mixte, combinant les propriétés du procédé CLC et les cycles à carbonate, permet d'éviter le recours à de l'oxygène pur pour la régénération de l'oxyde de calcium. Dans cette configuration, la chaleur émise lors de la réduction d'un oxyde métallique fournit la chaleur de régénération de l'oxyde de calcium. CanMET nous a fourni un solide de synthèse combinant un oxyde de cuivre et de calcium, additionné d'un agent liant à base de ciment pour une résistance améliorée à la désactivation et à l'attrition. Cet oxyde mixte peut convertir jusqu'à 4,3% en masse de CO2 par masse initiale en carbonate sur la plage de température allant de 425 à 665 �C sous des concentrations de CO2 entre 10 et 20 %. Nous avons également caractérisé sa cinétique de carbonatation à l'aide d'un modèle empirique de premier ordre à l'équilibre avec des énergies d'activation de 220 et 120 kJ mol−1 avec un coefficient de corrélation d'au moins 99 %. De même, à l'aide de mesures répétées de surface spécifique BET avant et après les 15 premiers cycles de carbonatation-régénération, nous avons pu modéliser sa désactivation par frittage à l'aide d'un modèle de puissance d'ordre 0,5 et d'une constante de détérioration de 2,86 min.  ABSTRACT: Secondary ilmenite (FeTiO3) is an inexpensive mineral that became the most cited potential replacement oxygen carrier for the chemical looping process to the synthetic expensive and toxic nickel oxide. Ilmenite has excellent mechanical stability, adequate heat capacity to transfer heat from the air reactor to the fuel reactor, but possesses a modest oxygen transfer capacity and is prone to agglomeration. One way to minimize its sintering tendency is to preoxidize the mineral, producing ferric pseudobrookite (Fe2TiO5) with an increased theoretical oxygen transfer capacity. However, fresh ilmenite has a higher oxygen transfer capacity, possibly due to the increased crystallinity of the preoxidized form. Ilmenite can transfer up to 1,7 %, i.e. higher than that of ferric pseudobrookite (1,2 %), when reduced for 2 min with carbon monoxide (CO) at 910 �C. Unfortunately, fresh ilmenite cannot be used in the chemical looping process (CLC) due to the high sintering risks. We compared the oxygen transfer capacity of pyrolusite as a potential replacement oxygen carrier for ilmenite. Pyrolusite is an amorphous inexpensive and nontoxic manganese ore, that can transfer almost than double the oxygen (2% when reduced with CO for 2 min) without any agglomeration risks. We compared the kinetics of preoxidized ilmenite to that of pyrolusite, by deriving mechanistic kinetic models. For both oxides, the model assumes that CO reacts with surface oxygen atoms, and that bulk oxygen replenishes the surface oxygen. The model explains more than 90 and 95% of the variance of the data, for ilmenite and pyrolusite, respectively. However, the associated activation energies differ greatly. The activation energy for the surface reaction between CO and ilmenite reaches 51 kJ mol−1. However, the value of the kinetic constant for the direct CO reduction of pyrolusite decreased with temperature (negative activation energy), as expected: The oxygen transfer capacity reached an asymptote with increasing temperature. In addition, the reaction between ilmenite and CO is limited by external mass transfer between the bulk gas phase and the surface, while the surface reaction governs the reduction of pyrolusite. The elementary step describing the reoxidation of the surface sites with oxygen from the lattice has an 89 and 55 kJ mol−1 activation energy for ilmenite and pyrolusite, respectively. The fastest kinetics of the reduction of pyrolusite with CO has a significant effect on the solid inventory needed in the fuel reactor of the CLC process: a commercial CLC process with pyrolusite would require 10 times less solids than one with ilmenite. By modeling the reduction kinetics following a mechanistic approach, the surface site density of active sites (oxygen atoms in a surface position) had to be characterized. We estimated this surface parameters two approaches: as a curve fitting parameters, and by calculating the area under the CO2 concentration curves for a saturated surface reaction. The two approaches have proven valid: The fitted value illustrated the agglomeration tendency of ilmenite, and the indirect measurement method (simulated gas-solid titration curve) revealed the saturated nature of the surface reaction (asymptote at 40 μmolm−2). Both methods yielded numerical values in agreement with that reported measurements for synthetic bulk oxides. We also investigated potential improvements to the chemical looping process. In its current form, the process generates a pure CO2 stream after condensation of water. When sequestering CO2 in geological medium, the risk of fracturing and further upward CO2 migration and possible escape is never completely avoided. A better solution might be to convert the gas phase CO2 in solid calcium carbonate in a combined CLC and calcium cycle (CaL). However, regeneration of calcium oxides requires pure O2 to avoid generated diluted CO2 in nitrogen, which would only displaced the problem of CO2 separation. Combining CLC with CaL allows for a definitive solution: the heat produced during the reduction of a metal oxide (e.g. copper) provides the heat for the CO2 sorbent regeneration. Finding a suitable synthetic solid combining attrition and deactivation resistant combined CO2 sorbent and chemical looping agent is crucial. CanMET provided us with a homogeneous calcium copper oxide containing a cement binder for that purpose. We characterized its deactivation and carbonation kinetics during the first 15 carbonation-calcination cycles between 425 �C to 665 �C (calcination at a maximum 900 �C temperature). The sorbent can convert up to 4,5% of its mass in calcium carbonate, following an equilibrium carbonation kinetics with activation energies of 220 and 120 kJ mol−1 for the forward and reverse reaction, respectively. We also showed that a gradual increase in crystallinity with time on stream decreased the reaction rate. We modeled this phenomenon and were able to increase the fit to account from 97% to 99% of the variance in the data. We use the generalized power law model with a 0.5 order and 2,86 min−1 to model the deactivation of the sorbent by sintering. A final improvement to the CLC process is to reform combustion gases into a mixture of CO and H2, by taking advantage of the CO2 reduction and water splitting properties of aged pyrolusite. Specific CO production is 10–100 times higher than Sr, Ce, and Fe doped perovskites and Y0.5Sr0.5MnO3 perovskites, the best published material for CO2 reduction. At a contact time of 0,01 s and at temperatures ranging from 810–960 �C the maximum specific CO production was 5,5 mol kg−1. A combined kinetic-axial dispersion hydrodynamic model accounts for 97% of the variance in the data assuming the reaction rate is first order in CO2 and surface reduced sites and in equilibrium with the reverse reaction—a first-order reaction in CO with surface oxidized sites. A second reaction accounts for the diffusion of surface oxygen to the bulk lattice. Hydrogen productivity peaked at 4,8 mol kg−1 at 947 �C,which is twice as high as reported in previous studies on CoFe2O4 and Al2O3 in the hercynite


identifier: Samih, S. (2016). Développement d'un analyseur thermogravimétrique à lit fluidisé : application à la gazéification catalytique du charbon  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un analyseur thermogravimétrique (ATG) à lit fluidisé a été développé afin de surmonter les nombreuses limitations de l'ATG conventionnel. Une configuration spéciale des instruments de mesure a permis de mesurer le poids de l'échantillon, introduit dans l'ATG à lit fluidisé, en temps réel. Une autre particularité de cet équipement est le contrôle et la régulation des débits des gaz alimentés en fonction de la température. Cette technique a permis de garder un régime de fluidisation optimale pour obtenir un mélange approprié au sein du lit fluidisé, tout en minimisant les vibrations du système. De plus, cet ATG à lit fluidisé a été muni de plusieurs analyseurs des gaz produits : FTIR et chromatographie en phase gazeuse. La décomposition thermique de l'hydroxyde de calcium a fait l'objet du test de validation de l'ATG à lit fluidisé. Les résultats ont été impressionnants : les limitations de transfert de matière et de chaleur, qui ont été observées dans l'ATG conventionnel, ont disparu de l'ATG à lit fluidisé. Cette conclusion a été consolidée par une analyse des échantillons produits par la technique de la diffraction des rayons X (XRD). Les résultats ont confirmé que l'ATG à lit fluidisé sera, dans le futur, un équipement idéal pour l'étude de la cinétique et de mécanismes des réactions chimiques gaz-solide. Vu l'importance du charbon dans le portfolio énergétique mondial, il a été décidé de faire de la gazéification du charbon une première application dans l'ATG à lit fluidisé en décomposant les réactions associées au mécanisme de la réaction. Ainsi, une série de tests expérimentaux sur la pyrolyse du charbon, la gazéification du char et la gazéification du charbon dans l'ATG fluidisé a été effectuée. Les résultats ont été traités pour trouver les différents paramètres cinétiques de la dévolatilistaion totale du charbon, ainsi que ceux des principaux gaz produits de la pyrolyse. La cinétique de l'oxydation partiale du char a été étudiée dans l'ATG à lit fluidisé et les paramètres cinétiques ont été développés. Le modèle de la cuve parfaitement agitée a été utilisé pour décrire le fonctionnement du réacteur de l'ATG à lit fluidisé. Ce modèle a été alimenté par les paramètres cinétiques obtenus précédemment, et les résultats ont été comparés avec ceux obtenus expérimentalement. L'équilibre la gazéification du charbon a aussi été étudié dans l'ATG à lit fluidisé. Les résultats ont montré que les réactions de reformage du méthane, ainsi que celle du déplacement de monoxyde de carbone, ont été loin d'être en équilibre. Les cendres et le soufre, contenus intrinsèquement dans le charbon, constituent un problème majeur pour le développement des technologies de gazéification du charbon. C'est pourquoi il a été décidé de faire de la gazéification catalytique du charbon sans cendre la deuxième application de l'ATG à lit fluidisé. Les cendres ont été éliminées du charbon grâce à un procédé développé par l'Université d'Alberta. Le charbon sans cendre a été gazéifié dans l'ATG à lit fluidisé. Le catalyseur (K2TiO3) a permis d'obtenir une meilleure conversion de carbone à basse température avec des gaz produits de grande valeur énergétique. Une diminution de la quantité du goudron, produite de la gazéification du charbon sans cendre, a été obtenue par l'application du catalyseur. L'effet catalytique a permis, aussi, de diminuer les énergies d'activation des principales réactions de gazéification, incluant le reformage du méthane et le déplacement de monoxyde de carbone.  ABSTRACT: A new fluidized bed thermogravimetric analyzer (TGA) was developed to overcome the various limitations of the conventional TGA. This is the first equipment that combines both fluidization and thermogravimetric analyzer technologies. A new concept of «the pseudo-variation» of the weight was introduced in the fluidized bed TGA. A novel model was developed to transform the energy loss, by the fluidizing agent, into weight. This pseudo variation of the weight was evaluated by measuring the pressure drop through the gas distributor and filter. A special configuration was used to obtain the real weight loss of the sample inside the reactor. Another particularity, which was introduced by the fluidized bed TGA, is the strategy for gas flow rate adjustment according to temperature. This program was used for controlling the gas flow rate as a function of temperature to maintain the minimum fluidization regime throughout all of the experiments. Calcium hydroxide decomposition was the standard test that was used for the validation of the fluidized bed TGA. The results were compared with those obtained from the conventional TGA. Diffusion control was eliminated by the application of the fluidized Bed TGA, which was confirmed by the X-Ray Diffraction (XRD) analysis on the treated samples. The reliability of the newly developed equipment was confirmed by such validation test. Coal gasification was studied in the novel fluidized bed thermogravimetric analyzer. The weight loss obtained from the fluidized bed TGA was in general agreement with the total gas product. For coal pyrolysis, resulting activation energies for the individual gases were 3 to 4 times lower than those found in literature. For char gasification, the resulting kinetic parameters were in relative agreement with those found in literature. The Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR) model was used to describe the reaction chamber of the fluidized bed TGA. The experimental and the model results were in reasonable agreement. Equilibrium data were also compared with experimental results. The steam reforming and the CO shift reactions were far from equilibrium. The application of potassium catalyst (K2TiO3) on ash free coal gasification was studied in the fluidized bed TGA. The total gas product was in general agreement with the total yield obtained from the fluidized bed TGA. The carbon conversion and the higher heating value of the gas product gas were significantly enhanced by the catalyst application on ash free coal gasification. The effect of catalyst on the kinetics of char gasification was neglected. The activation energy of the CO shift reaction was decreased by 45%, from the previous one without catalyst, by applying catalyst. This value was decreased 19% from the one reported in literature in the case of catalytic gasification. The value of the activation energy of the methane reforming reaction was reduced by 40% from the one found in this work without catalyst. Higher heating value of the product gas and highe


identifier: Montagné, R. (2016). Optimisation de l'allocation de ressources dans un réseau de télécommunications par coloration impropre de graphes  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse, nous traitons le problème d'allocation de ressources pour les réseaux de télécommunications, dont le développement ne cesse de s'intensifier tant la demande en transmission de données est élevée à travers le monde. Malheureusement, ces ressources sont limitées et il devient de plus en plus difficile de satisfaire les besoins des utilisateurs, d'où l'intérêt de mettre en oeuvre des méthodes mathématiques adaptées à cette problématique. De telles techniques ont été développées depuis l'apparition des premiers réseaux dans les années 1970, mais l'évolution de la technologie sans fil et l'amélioration des puissances de calculs informatiques nécessitent de constamment mettre à jour les modèles utilisés, ainsi que les méthodes pour les résoudre; cette thèse s'inscrit dans cette dynamique. Nous proposons ici un nouveau modèle d'assignation de canaux qui suppose l'existence d'une entité capable de centraliser les données recueillies au niveau des usagers, à l'échelle métropolitaine. En particulier, nous proposons de maximiser le nombre d'usagers pouvant être connectés simultanément au réseau. Nous verrons en quoi ce modèle est nouveau mais tout à fait réaliste compte tenu des modèles existants. L'un des aspects originaux de cette thèse est le fait de remettre la théorie des graphes au goût du jour pour traiter ce problème d'affectation. Les notions de stabilité et de coloration impropre sont en effet intimement liées à ce problème. Nous verrons également qu'une généralisation de la fonction de Lovasz permet de dériver une borne supérieure sur l'objectif, plus serrée que la relaxation linéaire du modèle en nombres entiers associé. La théorie des graphes est un outil de modélisation très puissant, intimement liée à l'algorithmique inhérente aux problèmes combinatoires complexes. Nous verrons comment prendre à contre-pied l'explosion combinatoire de ce problème NP-difficile sans compromettre la qualité des solutions obtenues, en généralisant les notions de degré et de degré de saturation d'un sommet, à la base des heuristiques de coloration les plus populaires. Les algorithmes développés seront analysés théoriquement via les notions de complexité, de garantie et de plus petit graphe sous-optimal, mais aussi numériquement: ceux-ci seront comparés aux méthodes d'affectation classiques, à savoir la réutilisation de fréquence fractionnée. Enfin, nous étendrons le modèle proposé sur un horizon de temps, et traiterons le problème lorsque les données ne sont pas entièrement connues à l'avance mais apparaissent au fur et à mesure. En résumé, réseaux de télécommunications, théorie des graphes, algorithmique et explosion combinatoire sont les ingrédients principaux de cette thèse: il s'agit bel et bien de recherche opérationnelle!  ABSTRACT: Since the 1970's wireless networks have constantly been striving to meet consumers increasing demands, while the necessary resources (electromagnetic frequencies) are becoming increasingly scarce. In this thesis, we address the problem of allocating a channel to a maximum number of mobiles, in order to maximize the number of users that are simultaneously connected to the network. This is a typical assignment problem, for which operations research provides the adequate tools. We propose a new model based on the existence of a calculator capable of dealing with data at a metropolitan scale. Although ambitious, this scheme remains realistic given the latest developments of cloud computing and virtualization technologies. Most importantly, part of the originality of this model is its link with graph theory. We will see how the concepts of stability and improprer weighted coloring are intimately related to the channel assignment problem. Also, we will show how a generalization of Lovasz's function can be used to derive an upper bound on the objective function, tighter than the linear relaxation of the associated integer model. As one knows, a graph theory approach is often related to combinatorics and its difficulties, namely the combinatorial explosion of any NP-hard problem. We will see how to cope with this aspect, at the crossroads between fundamental and applied research. In particular, we will generalize the concepts of degree and saturation degree of a vertex, which are essential components of most of the popular vertex coloring heuristics. The proposed algorithms are analyzed both theoretically - through computational complexity, performance guarantee and smallest suboptimal graphs -, and numerically: a set of test results are reported in which the heuristics are compared to classical allocation techniques based on fractional frequency reuse. Last but not least, the model is extended over a rolling horizon and on-line algorithms are proposed to tackle the problem when data is not known in advance but appears iteratively. In summary, wireless networks, graph theory, algorithms and combinatorial explosion are the main ingredients to this thesis, which definitely lies in the scope of operations research.


identifier: Giraud, A. (2016). Outils de visualisation de données de cartes à puce pour une société de transport collectif  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De plus en plus de sociétés de transport en commun font le choix de systèmes automatisés de perception des titres de transport par carte à puce et réalisent que ces données recueillies au jour le jour, depuis déjà 2008 pour la grande région de Montréal, constituent un potentiel immense à exploiter pour la planification de leur offre de transport. Dans ce contexte, cette maîtrise recherche s'inscrit dans un projet global mené depuis trois ans en collaboration avec divers partenaires. Elle fait suite aux précédents travaux de recherche menés sur l'enrichissement des transactions des cartes à puce en leur associant les origines et les destinations des trajets. Pour les fins de ce projet, le Réseau de Transport de Longueuil (RTL) a mis à disposition les 3,1 millions de transactions de bus et de métro du mois de mars 2013. La société Thales a rendu disponible son portail « Analytics For Transportation » développé par le département CeNTAI (Centre de Traitement et d'Analyse de l'Information). L'objectif principal de cette maîtrise recherche est de concevoir des interfaces permettant de visualiser et d'analyser les transactions de cartes à puce, enrichies de leurs destinations, répondant ainsi aux besoins d'un exploitant de transport en commun. Les sous-objectifs, correspondant aux étapes de la recherche, sont les suivants : - Rendre opérationnel l'algorithme de détermination des destinations - Conceptualiser la structure des données la plus adéquate pour permettre leur visualisation - Créer des interfaces de visualisation répondant aux besoins d'un exploitant de transport en commun. Ce mémoire commence par une revue de littérature présentant d'une part les projets des années précédentes sur l'estimation de l'origine puis de la destination des déplacements et d'autre part d'autres projets liés à la visualisation de ce type de données. Les raisonnements employés pour répondre aux trois sous-objectifs précités sont exposés dans une section méthodologie. La dernière section présente les résultats et analyses obtenus à partir de ces données enrichies. Les contributions apportées par ce mémoire sont : - L'optimisation et la refonte de l'algorithme d'estimation des destinations et son adaptation à un réseau défini selon le format GTFS (General Transit Feed Specification)- La présentation d'aperçus rapides et ergonomiques obtenus grâce à l'utilisation d'outils libres (Elasticsearch et Kibana) analysant ces données enrichies de carte à puce - La conception d'une nouvelle interface web personnalisée et développée pour alimenter un tableau de bord présentant des indicateurs clés pour une société de transport en commun à partir des données transmises par le RTL. En conclusion, ce projet de recherche propose une solution opérationnelle qui, pour un jeu de données de transactions de cartes à puce, permet, en une étape, d'estimer la destination des trajets de chaque transaction des usagers, de préparer des statistiques supplémentaires (distance et temps de trajet, séquences de tronçons …) et de les exporter vers un fichier texte et vers une base de données (Elasticsearch). Le tout est réalisé en un temps relativement court : 20 minutes pour 3 millions de transactions, temps d'exportation compris. Les données sont alors directement disponibles et exploitables dans des portails web configurés ou développés pour l'occasion prenant en compte les besoins des clients. Parmi les 3,1 millions de transactions disponibles, 20% sont des transactions de métro. Ces dernières permettent d'aider l'algorithme dans l'estimation des destinations. Lorsqu'elles sont prises en compte, elles n'améliorent que de 1% le nombre total de destinations des trajets de bus portant à 79% le nombre de trajets OD en bus recomposés pour notre jeu de données de mars 2013. Les séquences de tronçons ou déplacements ont été recomposées au cours de l'algorithme. Il en ressort par exemple que 66% des déplacements de bus, ou séquences de tronçons, effectués par les usagers sont des trajets directs sans correspondance. La part d'usagers effectuant des déplacements d'une seule correspondance est respectivement 12% du bus vers le bus et 20% du bus vers le métro. En définitive, ce projet de recherche permet de montrer que l'analyse de gros volumes de données en un temps limité est possible et une solution opérationnelle est présentée. En effet, il faudrait un temps de traitement de seulement 32 heures pour enrichir les transactions des 8 dernières années du RTL, à raison de 3 millions de données par mois. Ces données de type OD seraient alors disponibles pour alimenter les analyses des différents départements d'une société de transport en commun tels que la gestion des opérations du réseau, la planification et même le marketing et la finance. Les outils de visualisation développés permettraient alors d'aider le RTL dans la rédaction d'un cahier des charges auprès d'une entreprise offrant des solutions BI (Business Intelligence) pour visualiser leurs données métier.  ABSTRACT: Public transit authorities are choosing more and more smart card automated fare collection systems and realize that those daily recovered data, since 2008 for the greater Montreal region, have a great potential for their planning and operations. In this context, this research master is part of a global project held for three-year period in collaboration with various partners. It follows previous research works on data enrichment of smart card transactions by combining their trip origin and destination. For the purpose of this project, the transit authority RTL (Réseau de Transport de Longueuil) provided one month (March 2013) of bus and metro smart card transactions (3.1 million). As far as Thales is concerned, they made available their “Analytics For Transportation” portal developed by its CeNTAI Department (Centre de Traitement et d'Analyse de l'Information). The main objective of this master research is to design interfaces for viewing and analyzing smart card transactions, enriched of their destination, while meeting the needs of a transit operator. The sub-objectives, corresponding to the steps of this research, are: - Make operational the algorithm determining trip destinations - Conceptualize the most adequate data structure enabling their visualization - Design visualization interfaces meeting the needs of a transit operator This thesis starts with a literature review with, on the one hand, the previous works on the estimation of the trips origin and destination, and, on the other hand, other projects on data visualization. The steps followed to meet the above three sub-objectives are described in the methodology section. The final section presents the results and analysis obtained from these enriched data. The main achievements of this project are: - The optimization and redesign of the algorithm estimating trip destinations and its adaptation to a network defined with the GTFS format (General Transit Feed Specification) - The presentation of ergonomic insights, obtained thanks to the use open source tools (Elasticsearch, Kibana), enabling those enriched smart card data to be quickly analyzed The design of a new customized web interface developed to present other key indicators used by a public transport company. In conclusion, this research project presents an operational solution, which for a set of smart card transaction data offers, in one step, to estimate the destination of each smart card transaction trip, to prepare additional statistics (distance and travel time, trip-leg sequences …) and to export those enriched transactions to a text file or a data base (Elasticsearch). The whole process is made within a relatively short time: 20 minutes for 3 million transactions, export time included. The data is then directly available and usable in web portals configured or developed for the occasion and which take into account the needs of the customers. Of the 3.1 million available transactions, 20% are metro transactions. These transactions help the algorithm in the estimation of a trip destination. These metro transactions only help to find 1 more percent of destinations, resulting in 79% of trip destinations recovered for our March 2013 dataset. Trip-legs have also been reconstructed by the algorithm. It shows for example that 66% of bus travels are made without a transfer. The share of users making only one transfer represents respectively 12% from bus to bus and represents 20% from bus to metro. In the end, this research shows that the analysis of large volume of data within a limited period of time is possible and an operational solution is presented. Indeed, it would require a processing time of 32 hours to enhance the RTL smart card transactions of the last 8 years, with 3 million transactions per month. These OD type of data would then be available to power the analysis of the various departments of a public transit authority such as operations, planning and even marketing and finance. The developed visualization prototypes would then help the RTL in drafting the specifications of a new tool sold and designed by a company selling BI (Business Intelligence) solutions to visualize their business data.


identifier: Carrier, A. (2016). Intégration de l'incertitude sur les tournées de véhicules et sur l'horaire de chargement dans le milieu forestier  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire de maîtrise traite d'une partie spécifique de la chaîne de valeur du secteur forestier canadien, soit le transport des billots de bois entre les sites forestiers et les usines de transformation. Cette étude traite, plus spécifiquement, de l'obtention des horaires de tournées de véhicules, selon plusieurs méthodologies combinant la génération de colonnes, l'utilisation de programmes linéaires en nombres entiers (PLNE) ainsi que d'un simulateur. Le générateur de colonnes sert à l'obtention d'un ensemble initial de tournées, tandis que les programmes linéaires en nombres entiers servent à obtenir un horaire final avec des valeurs entières, selon les différentes variables du problème. Le simulateur a comme fonctionnalité la création d'imprévus dans la planification des camions de livraison, selon certains scénarios. La nature de ces imprévus est définie par deux catégories: la première correspond à des imprévus causés par des conditions routières difficiles, lors de perturbations météorologiques. Ces situations de mauvais temps engendrent des désynchronisations sur la planification des tournées de véhicules au niveau des chemins empruntés par les camions forestiers. La deuxième catégorie d'imprévus produite par le simulateur met l'emphase sur la création d'achalandage aux usines de transformation ainsi qu'aux sites forestiers, causés par des camions d'autres compagnies externes œuvrant dans le secteur du bois. L'objectif de cette recherche est d'analyser l'impact de la création d'imprévus sur les horaires de tournées de véhicules, soit la désynchronisation de la planification du transport routier via les outils énumérés ci-haut. Trois méthodologies ont été utilisées dans cette analyse afin de tester la performance des planifications face aux événements imprévus. La première consiste à générer l'horaire final des tournées des camions entre les sites forestiers et les usines de transformation, par l'entremise du générateur de colonnes et d'un PLNE, qui sont conjointement programmés dans un même modèle en C++. Ensuite, le simulateur ajoute des délais aléatoirement, selon les deux types d'imprévus cités ci-haut, modifiant ainsi, dépendamment de la valeur des paramètres stochastiques, l'horaire final de tournées de véhicules. La seconde méthodologie consiste à utiliser le générateur de colonnes afin d'obtenir un horaire initial, suivi immédiatement de l'ajout d'imprévus par le simulateur, et ce avant l'utilisation du même PLNE programmé en C++. Ce dernier sera ensuite utilisé afin d'obtenir un horaire basé sur la moyenne des temps de passage des camions aux localisations et contenant des valeurs en nombres entiers. Puis, la troisième méthodologie consiste toujours à utiliser, dans le même ordre, le générateur de colonnes ainsi que le simulateur. Par contre, un PLNE programmé dans le logiciel AIMMS servira de solveur, afin de déterminer l'horaire final des tournées de véhicules. De plus, plusieurs réalisations ont été exécutées par le simulateur, créant ainsi des probabilités de passage des camions, selon l'ajout aléatoire de conditions routières difficiles. Le PLNE programmé dans AIMMS utilise ces probabilités de passage afin de déterminer un horaire de tournées de véhicules final avec des valeurs entières. Les imprévus créés par le simulateur ont comme objectif de reproduire certains scénarios conçus pour représenter, le plus fidèlement possible, la réalité observée sur le terrain. Afin de recréer des scénarios réalistes à propos du milieu forestier canadien, les valeurs des paramètres du simulateur ont été modifiées en conséquence. Les paramètres du simulateur en question ont été calibrés selon des hypothèses basées sur des sources d'informations provenant de la compagnie FPInnovations ainsi que du Ministère des Ressources Naturelles du Québec.  L'objectif de cette recherche est d'analyser les conséquences de la génération d'imprévus dans l'horaire de tournées de véhicules, soit le nombre de retards total ainsi que le temps total de délais sur l'ensemble de la flotte de camions. Le but est de comparer les trois méthodologies par l'entremise des délais générés sur les horaires finaux des camions, impactant ainsi la livraison des billots de bois. Suite à l'obtention des résultats des trois méthodologies, la génération d'imprévus en lien avec des activités externes n'a eu aucun impact significatif sur la planification des tournées de véhicules ainsi que sur la synchronisation de la machinerie, excepté pour la troisième méthodologie, où de l'achalandage aux usines de transformation est à priori présent dans les horaires finaux de tournées de véhicules. Par contre, la création de conditions routières difficiles a engendré des délais de l'ordre de plusieurs heures par période de simulation et par camion. Sommairement, au niveau des trois méthodologies étudiées dans ce projet de recherche, la deuxième approche, qui consiste à ajouter des délais dans la planification avant la génération des horaires finaux avec le PLNE en C++, a démontré qu'elle réagit mieux face aux imprévus. La première approche démontre des résultats où les délais engendrés par les conditions météorologiques difficiles sont plus considérables. La troisième approche démontre des résultats similaires à la seconde approche, mais après la génération d'imprévus, la moyenne de délais périodiques par camion est légèrement plus élevée que ceux de la seconde approche.  ABSTRACT: The context of this study is concerning one part of the forest sector supply chain: the log-truck planning. This research project is studying different methodologies to generate log-truck schedules, by using a column generation program, two different mixed integer programs and a simulator. The column generation program and the mixed integer programs are used to create feasible schedules for the whole truck fleet, while respecting the different constraints of the log-truck scheduling problem. The simulator is used to generate two different types of delays: the first type is concerning the generation of difficult road conditions. The second type of delay is about the creation of traffic at mills and forest sites, caused by trucks from other companies. These two types of delays generate disturbance on the initial log-truck schedule planning. In order to analyze these disturbances on the log-truck network, three methodologies have been developed to generate delays in the log-truck schedule planning. The first methodology relates the use of the column generation program, follow by a mixed integer program in C++ to generate feasible schedules with integer values. After, the simulator is used to insert delays in the schedules. The second methodology relates also the use of the column generation program, but followed this time by the simulator, that inserts delays before using the mixed integer program (MIP) in C++ and having an integer schedule. And the third methodology is also using the column generation program, follow by the simulator. However, instead of using the MIP in C++, a new MIP in the software AIMMS is used to find an integer solution. The objective here is to analyze the different results of each methodology, that is to say the total amount of delays for each type, the total delay time and the disturbance on the initial schedules. The analysis of these three methodologies is made on several scenarios that reflect the reality observed in the forest sector as much as possible. The results of this research show that the generation of external jobs at mills and forests doesn't have a significant impact on the initial log-truck planning, only on the third methodology, where there's already some congestion at locations in the schedules. But, the generation of difficult road conditions by the simulator affects significantly the round trip schedules, with a few hours of delays per truck in their activities, regardless the approach. If we compare the three methodologies, the second one shows better results for the total average time delays per truck, with a smaller number of delays in the truck schedules, but this model needs more round trips to satisfy the demand.


identifier: Lange Di Cesare, K. (2016). Amélioration de la précision de systèmes d'extraction de relations en utilisant un filtre générique basé sur l'apprentissage statistique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'extraction de relations contribue à l'amélioration de la recherche sémantique, recherche basée sur la compréhension du sens des termes de recherche. Puisque la recherche d'information est principalement axée sur des mots-clés, l'extraction de relations offre un éventail de possibilités en identifiant les liens entre les entités. L'extraction de relations permet entre autres de transformer de l'information non structurée en information structurée. Les bases de connaissances,telles que Google Knowledge Graph et DBpedia, permettent un accès plus précis et plus direct à l'information. Le slot filling, qui consiste à peupler une base de connaissances à partir de textes, a été une tâche très active depuis quelques années faisant l'objet de plusieurs campagnes évaluant la capacité d'extraire automatiquement des relations prédéfinies d'un corpus de documents. Malgré quelques progrès, les résultats de ces compétitions demeurent modestes. Nous nous concentrons sur la tâche de slot filling dans le cadre de la campagne d'évaluation TAC KBP 2013. Cette tâche vise l'extraction de 41 relations prédéfinies basées sur les infobox de Wikipédia (par exemple: title, date of birth, countries of residence, etc.)liées à des entités nommées spécifiques (personnes et organisations). Une entité nommée (l'entité requête) et une relation sont soumises à un système (extracteur de relations) qui doit automatiquement trouver, parmi un corpus de plus de deux millions de documents, toute entité liée à l'entité requête par la relation donnée. Le système doit également retourner un segment textuel justifiant cette relation. Ce mémoire présente un filtre basé sur l'apprentissage statistique dont l'objectif principal est d'améliorer la précision d'extracteurs de relations tout en minimisant l'impact sur le rappel. Notre approche consiste à filtrer la sortie des extracteurs de relations en utilisant un classifieur. Notre filtre est annexé à la sortie de l'extracteur de relations, pouvant ainsi être facilement testé sur n'importe quel système. Notre classifieur est basé sur un large éventail de caractéristiques (features), incluant des caractéristiques statistiques, lexicales, morphosyntaxiques, syntaxiques et sémantiques extraites en majorité des phrases justificatives soumises par les systèmes. Nous proposons également une méthode efficace permettant d'extraire les patrons les plus fréquents (ex.: catégories orphosyntaxiques, dépendances syntaxiques) afin d'en dériver des caractéristiques booléennes utiles pour notre tâche de filtrage. Les caractéristiques utilisées pour l'entraînement des classifieurs sont soit génériques. Ainsi, notre méthode peut être utilisée pour la classification de toute relation prédéfinie. Nous avons testé le filtre sur 14 systèmes ayant participé à la tâche de slot filling. Le filtre permet d'améliorer la précision pour chacun de ces systèmes. Nos résultats démontrent également que le filtre permet d'améliorer la précision du meilleur système de plus de 20% (points de pourcentage) et d'améliorer le F-score pour 20 relations.  ABSTRACT: Relation extraction is becoming a very important challenge for enhanced semantic search. In fact, while traditional information retrieval is mainly focused on keywords, relation extraction opens a whole range of possibilities by identifying the links between concepts and entities. Unstructured data can be transformed into structured data by using effective relation extraction to populate a knowledge base (ex: Google Knowlegde Graph and DBpedia). Slot filling, which mainly consists in the population of a knowledge base, has been a very active task in recent years and has been subject to several evaluation campaigns that assess the ability of automatically extracting previously known relations from corpora. Despite some progress, the results of these competitions remain limited. In this thesis, we focus on the English slot filling track within TAC KBP 2013 evaluation campaign. This track targets the extraction of 41 pre-identified Wikipedia infobox relations (e.g. title, date of birth, countries of residence, etc.) related to specific named entities (persons and organizations). A named entity and a relation are submitted to a system (relation extractor), which must automatically find, within a corpus containing over 2 million documents, every other entity that is linked to the query entity with this particular relation, and must return a textual segment that justifies this result. This thesis presents a machine learning filter whose main objective is to enhance the precision of relation extractors while minimizing the impact on recall. Our approach consists in the filtering of relation extractors' output using a binary classifier. Our filter is appended to the end of the relation extractor's pipeline, thus allowing the filter to be tested and operated on any system. Another objective of this research is the identification of the most important features for the filtering step. Our classifier is based on a wide array of features including statistical, lexical, morphosyntactic, syntactic and semantic features. We also present a method for extracting the most frequent patterns (ex: part-of-speech, syntactic dependencies) between the query and the answer within the justification sentence from which we create boolean features indicating the presence of such patterns. The features used for training our classifiers are mostly generic and could be utilized to classify any pre-defined relation. We experimented the classifier on 14 systems participating in the English slot filling track of TAC KBP 2013 campaign. The filter allowed an increase in precision for every tested system. Our results also show that the classifier is able to improve the precision of the best system by more than 20% (in percentage points) and improve the F1-score for 20 relations.


identifier: Mongeon-Bourbonnais, P.-L. (2016). Outil intégré de collecte, d'analyse et de visualisation de données de mobilité  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis plusieurs décennies au Québec et ailleurs dans le monde, les planificateurs du transport dressent le portrait de la mobilité des personnes au moyen d'enquêtes Origine-Destination. De telles enquêtes permettent de mettre en commun un grand nombre de données relatives aux comportements de déplacements des ménages et des personnes. Or, les ménages contactés ha-bituellement par téléphone sont de plus en plus difficiles à rejoindre et de nombreux jeunes mé-nages ne possèdent plus de ligne téléphonique fixe au domicile. De ce fait, de nouvelles méthodes de recrutement, mais surtout d'entrevue, sont nécessaires pour répondre à cette problématique. D'autre part, la quantité toujours plus grande de données collectées en parallèle aux enquêtes fait en sorte que la complexité des systèmes informationnels et des bases de données de mobilité est en forte croissance.  ABSTRACT: For several decades in Quebec and elsewhere in the world, transportation planners studied the mobility of people through Origin-Destination surveys. Such surveys enable the sharing of a large amount of data related to the travel behavior of households and people. However, house-holds usually contacted by telephone are increasingly difficult to reach and many young families no longer own a landline at home. Therefore, new methods of recruitment, but mainly new in-terviewing method, are needed to address this issue. On the other hand, the growing amount of data collected in parallel to surveys increases the complexity of databases and makes analysis even more difficult.


identifier: Yasmin, F. (2016). Enhancing the Modelling of Travel Demand Using an Activity-Based Approach  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse vise à enrichir le processus actuel de la modélisation de la demande de transport dans la Grande Région de Montréal (GRM) en utilisant une approche basée sur le modèle d'activités TASHA (Travel Activity Scheduler for Household Agents). TASHA a été développé en se basant sur des données provenant des déplacements de l'enquête Transportation Tomorrow Survey (TTS) de 1996 pour la Grande Région de Toronto (GRT). Cette recherche vise à appliquer le modèle TASHA dans le contexte montréalais en utilisant l'enquête de déplacements Origine-Destination (O-D) de 2003 et les données du recensement canadien de 2001. TASHA simule, pour un jour typique de la semaine, les horaires quotidiens d'activités (individuelle et combiné) de l'ensemble des personnes dans la région. Cette étude vise à évaluer la transférabilité du modèle TASHA à une autre région métropolitaine en comparant les caractéristiques des activités observées et simulées par TASHA (fréquence d'activité, heure de début, durée et distance) pour cinq activités différentes (travail, étude, magasinage, retour à domicile et autres). Ces comparaisons sont effectuées à trois niveaux d'agrégation : niveau macro pour l'ensemble de la population, niveau méso par segments de population et niveau micro à l'échelle individuelle.  ABSTRACT: This thesis aims to enhance the current modelling approach of travel demand of the Greater Montreal Area (GMA) using an activity-based approach, TASHA (Travel Activity Scheduler for Household Agents). It is also an effort to contribute to the validation and enhancement in the activity-based modelling framework by demonstrating a validation procedure of activity-based models and proposing some improvements. TASHA has been developed based on trip diary data from the 1996 Transportation Tomorrow Survey (TTS) for the Greater Toronto Area (GTA), Canada. This research applies TASHA in the context of the Island of Montreal, Canada, using the 2003 Origin-Destination (O-D) travel survey and the 2001 Canadian Census. TASHA simulates daily schedules of activities (individual and joint) for all individuals in this region. This research assesses the spatial transferability, as a validation test, of the TASHA model by comparing model simulated to observed activity attributes (activity frequency, start time, duration, and distance) for different activities. The validation has been performed at three different levels, macro-level (aggregation of the entire population), meso-level (aggregation by population segments by age group and gender, and by home location), and micro-level (individuals).


identifier: Gagné, M. (2016). Properties of Lightning Strike Protection Coatings  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans plusieurs domaines. Dans le cas des compagnies aéronautiques, ces matériaux sont introduits dans leurs avions pour réduire le poids et ainsi réduire les coûts de carburants. Ces avions sont donc plus légers mais la perte de conductivité électrique rend l'avion vulnérable à la foudre ; celle-ci peut frapper les avions commerciaux en moyenne une fois par an. La protection contre la foudre devient donc très importante. Les mailles de cuivre actuelles offrent une bonne protection mais elles augmentent le poids des composites. Dans le cadre du projet CRIAQ COMP-502, une équipe de partenaires industriels et de chercheurs académiques étudient de nouveaux revêtements conducteurs ayant les caractéristiques suivantes : bonne protection électromagnétique, résistance mécanique élevée, bonne protection contre l'environnement, bonne fabricabilité et des coûts modérés. Les objectifs principaux de ce mémoire, dans le cadre de ce projet, était de déterminer les caractéristiques principales (électriques et tribomécaniques) pour les revêtements conducteurs placés sur les panneaux composites. Leurs propriétés étaient également testées après des essais destructifs tels que des injections de courants et des essais environnementaux. Bombardier Aerospace a fourni le substrat, un matériau composite constitué de fibres de carbone qui renforcent une matrice époxy, et le produit commercial actuel, un film surfacique (surfacing film) qui comprend une feuille de cuivre déployé (expanded copper foil) pour comparer avec les autres revêtements. Voici la liste des revêtements conducteurs fabriqués par les étudiants: des nanoparticules d'argent dans une matrice (PEDOT:PSS ou un mélange d'époxy et de PEDOT:PSS); des nanofibres de carbone couvertes d'argent et intégrées dans le film de surface; un revêtement d'étain par projection à froid (cold spray); du graphène oxydé et fonctionnalisé (functionalized) avec des nanofils d'argent et un dépôt d'argent autocatalytique (electroless plating). De plus, dans le cadre du projet et mémoire, des revêtements d'aluminium ont été pulvérisés à l'aide d'un magnétron. Il y a trois principaux types de tests pour caractériser les revêtements conducteurs : électriques, mécaniques et environnementaux. Les tests électriques consistent à trouver la résistance-carré et la résistivité spécifique des revêtements conducteurs. Les tests mécaniques comprennent l'adhérence, le test d'éraflure, la dureté et le module de Young des revêtements. Les tests environnementaux comprennent des cycles thermiques et embrun salin (salt spray).  ABSTRACT: Composite materials are being increasingly used by many industries. In the case of aerospace companies, those materials are installed on their aircraft to save weight, and thus, fuel costs. These aircraft are lighter, but the loss of electrical conductivity makes aircraft vulnerable to lightning strikes, which hit commercial aircrafts on average once per year. This makes lightning strike protection very important, and while current metallic expanded copper foils offer good protection, they increase the weight of composites. Therefore, under the CRIAQ COMP-502 project, a team of industrial partners and academic researchers are investigating new conductive coatings with the following characteristics: High electromagnetic protection, high mechanical resistance, good environmental protection, manufacturability and moderate cost. The main objectives of this thesis, as part of this project, was to determine the main characteristics, such as electrical and tribomechanical properties, of conductive coatings on composite panels. Their properties were also to be tested after destructive tests such as current injection and environmental testing. Bombardier Aerospace provided the substrate, a composite of carbon fiber reinforced epoxy matrix, and the current commercial product, a surfacing film that includes an expanded copper foil used to compare with the other coatings. The conductive coatings fabricated by the students are: silver nanoparticles inside a binding matrix (PEDOT:PSS or a mix of Epoxy and PEDOT:PSS), silvered carbon nanofibers embedded in the surfacing film, cold sprayed tin, graphene oxide functionalized with silver nanowires, and electroless plated silver. Additionally as part of the project and thesis, magnetron sputtered aluminum coated samples were fabricated. There are three main types of tests to characterize the conductive coatings: electrical, mechanical and environmental. Electrical tests consist of finding the sheet resistance and specific resistivity of conductive coatings. Mechanical tests include adhesion, scratch, hardness and Young's modulus of the coatings. The environmental tests are temperature cycling and salt spray cycling. These basic characteristics were investigated first, but further tests also combine the categories, such as electrical tests before, during and after environmental tests, and the effects on the sample's mechanical properties after high electrical current injections.


identifier: Derue, F.-X. (2016). Suivi de cible basé sur un modèle de superpixels et points clés  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le projet de recherche présenté dans ce mémoire vise à développer une nouvelle méthode de suivi d'objet sans modèle a priori à travers une séquence vidéo. À partir d'une position de la cible donnée dans la première trame, l'algorithme de suivi doit continuer à localiser cette cible dans chaque nouvelle trame. Cette fonction est requise dans de nombreuses applications : en vidéosurveillance pour déterminer des mouvements suspects, en robotique pour l'auto-localisation, ou encore en interface homme-machine comme la reconnaissance de gestes. Une large gamme de méthodes est proposée dans la littérature mais le suivi visuel d'objet reste un problème non-résolu. En effet, une grande variété de facteurs rend la tâche difficile, dont notamment la déformation de l'objet, le changement de ses couleurs dû aux variations d'illumination de son environnement, ou encore la présence d'éléments perturbateurs cachant l'objet. Dans ce mémoire, nous proposons un algorithme de suivi qui représente la cible grâce à un modèle par parties. Cette représentation est adéquate pour gérer les déformations et les occultations.  Si certaines parties de l'objet ne sont pas visibles ou non identifiables, d'autres permettront malgré tout de localiser la cible. Plus spécifiquement, nous définissons ces parties comme étant des superpixels modifiés par des points clés que nous appelons SPiKeS (Superpixel-Keypoints Structure). Nous soutenons que ces deux types de caractéristiques sont complémentaires, le superpixel grâce à sa forme adaptée aux frontières des objets, le point clé grâce à sa discernabilité. En mettant leurs avantages à profit, nous obtenons un algorithme de suivi robuste à diverses situations complexes. L'expérimentation le prouve en montrant que notre méthode atteint des résultats compétitifs à de nombreuses méthodes de l'état de l'art. En outre, la supériorité de notre algorithme par rapport à des méthodes basées sur des superpixels ou des points clés uniquement, confirme l'intérêt de SPiKeS. Notons que ce dernier pourrait être exploité dans d'autres applications demandant une mise en correspondance efficace de régions d'intérêt.  ABSTRACT: This work introduces a model-free tracker robust to many challenging factors. A tracker is an algorithm dedicated to visual object tracking in a video. A model-free tracker has no information about the target except its position in the initial frame. The goal is to locate the target at each frame of the video. This task is required in a wide range of applications: in video surveillance for doubtful behaviors detection, in robotics for self-location, or in humancomputer interaction such as gesture recognition. Numerous methods are proposed in the literature but visual object tracking is still an unsolved problem. Indeed, many challenging factors make the task difficult, including object deformations, illumination variations, rotations, viewpoint changes and occlusions. In this thesis, we propose a tracker that represents the target with a part-based model. This kind of representation is well suited to handle deformations and occlusions. If some parts are hidden or unrecognizable, the others can still locate the target. More specifically, we define a part as a superpixel customized with keypoints, called a SPiKeS (Superpixel-Keypoints Structure). We claim that these two features benefit from each other, the superpixel thanks to its boundary evidence, the keypoints thanks to their discriminativity. By leveraging a SPiKeS, we build a tracker that is capable of locating a target in many challenging situations. Experiments prove it by showing competitive performances of our tracker against the state-ofthe-art. Above all, the superiority of our results compared to superpixels-only or keypoints only trackers confirms the advantages of using SPiKeS inside a tracking procedure. Note that this new feature could be exploited in any other applications that would require an efficient image regions matching.


identifier: Gholami, M.-R. (2016). Verifying Timed LTL Properties Using Simulink Design Verifier  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les logiciels jouent un rôle de plus en plus important dans les systèmes embarqués notamment dans les domaines de la santé, de l'automobile et de l'avionique. Un objectif important du génie logiciel est d'offrir, aux développeurs, un support ainsi que les outils d'aide à la conception de systèmes fiables nonobstant leur complexité. Dans le but d'atteindre cet objectif, des environnements de développement comme Simulink et SCADE proposent un processus de développement, basé sur des modèles, qui intègre, d'une manière réfléchie, différentes approches et outils de vérification (test, simulation, vérification formelle, évaluation, génération de code, etc). Ils permettent ainsi de concevoir, tester, simuler, vérifier, corriger des modèles puis de générer automatiquement du code à partir de ces modèles. Cette thèse s'intéresse aux méthodes formelles et à l'intégration de celles-ci dans l'environnement de développement Simulink. Les méthodes formelles s'appuient sur des outils mathématiques pour spécifier, par des modèles, le comportement et les propriétés d'un système et prouver qu'il satisfait ses requis. Simulink-Design-Verifier (SLDV) est un outil de vérification formelle, intégré à l'environnement de développement Simulink, qui permet de vérifier des propriétés de sûreté (assertions) sur des modèles Simulink. Cette thèse vise à étendre cette classe de propriétés à des propriétés linéaires LTL (Linear Temporal Logic), LTL temporisé et LTL à base d'événements. Les contributions de cette thèse sont présentées sous forme de trois articles. Le premier article présente une étude de cas qui a permis d'expérimenter l'environnement de développement Simulink, d'identifier ses caractéristiques et ses limitations. Il s'agit de modéliser et vérifier un dispositif médical appelé sonde d'intubation. Une sonde d'intubation est une tubulure mise en place sur un sujet inconscient qui permet notamment d'assurer en permanence le passage de l'air vers les poumons. Ce système est composé de deux ballonnets, deux robinets d'accès pour gonflage manuel, deux capteurs de pression, un distributeur de puissance, une pompe et un réservoir d'air. Tous ces composants sont concurrents et contrôlés par contrôleur programmable décrit par un grafcet. Cet article montre comment utiliser l'environnement Simulink pour, d'une part, modéliser ces différents composants ainsi que leurs interactions, et d'autre part, vérifier formellement des propriétés, afin de s'assurer du bon fonctionnement du système. Cependant, la spécification de certaines propriétés temporelles n'est pas évidente car elles doivent être exprimées sous forme d'assertions. Les articles suivants proposent des blocks canevas pour des propriétés temporelles linéaires. Le deuxième article est une version améliorée et étendue du premier article. Il s'est intéressé à réduire la complexité de vérification en modifiant significative le modèle et en proposant des blocks de spécification de propriétés linéaires basées sur les événements émis par le contrôleur. Le troisième article est dédié à la spécification de propriétés LTL en utilisant SLDV. Il propose des blocs Simulink configurables qui spécifient ces propriétés. Le but de ces blocs est de transformer les propriétés en assertions qui sont vérifiables par SLDV. La solution proposée dans le seconde et troisième article, est donc une extension de la bibliothèque de blocs de Simulink qui permet aux utilisateurs moins experts de spécifier et vérifier certaines propriétés LTL. Ce travail est donc limité aux propriétés LTL à temps discret, et restreint à certaines propriétés LTL. Nos travaux futurs consisteraient à l'extension de la bibliothèque de blocs de Simulink pour supporter des propriétés LTL plus complexes et à plus grande échelle.  ABSTRACT: Software plays increasingly a significant role in embedded systems particularly used in healthcare, automotive and avionics. An important goal of software engineering is to offer developers support tools to design reliable systems despite the system complexity. In order to achieve this, development environments like Simulink and SCADE propose a model-based development process, which integrates in a thoughtful way, different approaches and verification tools (test, simulation, formal verification, evaluation, code generation, etc.). They allow to design, test, simulate, verify, correct the models and then automatically generate code from these models. This thesis is interested in formal methods and integrating them in the Simulink development environment. Formal methods are based on mathematical tools to specify the behavior and properties of a system by models, and prove, if it meets its requirements. Simulink Design Verifier (SLDV) is a formal verification tool, integrated in Simulink development environment, to verify safety properties (assertions) on Simulink models. This thesis aims to extend this class of properties to linear properties LTL (Linear Temporal Logic), timed LTL and event based LTL. The contributions of this thesis are presented in three articles.  The first article presents a case study that experiment the Simulink development environment, to identify its characteristics and limitations. It consists of modeling and verifying a medical device called intubation tube. An intubation tube is a tube that assures permanent air flow to the lungs of unconscious person. This system consists of two balloons, two access valves for manual inflation, two pressure sensors, a power distributor, a pump and an air reservoir. All these components work in parallel and are controlled by a programmable controller described by grafcet. This article shows how to use the Simulink environment, to model these components and also how to verify formally the properties to ensure the system is well functioning. However, the specification of certain temporal properties is not obvious because they must be expressed as assertions. The following articles propose canvas blocks for linear temporal properties. The second article is an improved and extended version of the first article. It is interested in reducing verification complexity by changing significantly the model, and proposing specification blocks of linear properties, based on events issued by the controller. The third article is dedicated to the specification of LTL properties using SLDV. It proposes configurable Simulink blocks that specify these properties. The purpose of these blocks is to transform the properties into assertions that are verifiable by SLDV. The solution proposed in the second and third articles, is to extend the block library of Similink, which allows less-expert users to specify and verify some Linear Temporal Logic (LTL) properties. This work is limited to discrete time LTL properties, and restricted to specify some LTL properties. Our future work is devoted to extend the block library of Simulink to have support for a large scale and more complex LTL properties.


identifier: Taillon, G. (2016). Caractérisation de la résistance à l'érosion par cavitation d'aciers et de revêtements HVOF pour la protection de turbines hydrauliques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La cavitation est la cause principale d'érosion des turbines hydrauliques. Les revêtements HVOF ont été étudiés comme solution potentielle à ce problème. La méthode de projection thermique HVOF permet la déposition de revêtements protecteurs, tel que le composite WC-CoCr. Un appareil vibratoire décrit dans la norme ASTM G32 a été utilisé pour tester l'érosion par cavitation. L'échantillon a été maintenu à une distance de 500 μm de la tête de vibration, qui produisait un champ acoustique et provoquait l'apparition de bulles de cavitation. Ces bulles causaient des impacts et de l'érosion lorsqu'elles implosaient près de l'échantillon. Certains calculs théoriques sur le champ de pression et la dynamique des bulles ont été effectués. Le champ de pression approximatif a été dérivé à l'aide de l'équation de Rayleigh, en considérant que l'onde émise est plane. Entre l'échantillon et la tête de vibration s'établit donc une onde quasi-stationnaire d'une amplitude de 5MPa et d'une fréquence de 20kHz. Dans ce champ de pression, les bulles ayant un rayon plus grand que 5,6 μm dans des conditions quasi-statiques et plus petit que 2,6 mm dans des conditions dynamiques vont imploser. Par ailleurs, le comportement en érosion par cavitation d'aciers ferritiques, martensitiques, de revêtements métalliques broyés ou non (444HVOF, Fe3Al) ainsi que des cermets (WCCoCr, Fe3Al...) a été étudié. L'effet d'un recuit pré-déposition a été déterminé sur un revêtement composite basé sur l'aluminure de fer, soit le (Fe3Al)30Ti35BN35. Les mécanismes d'enlèvement de matière des matériaux ont été observés à l'aide de l'imagerie par microscopie électronique à balayage (MEB). Des piqûres et des fissures ont été observées dans le cas des matériaux massifs, alors que des particules du matériau ont été arrachées instantanément dans le cas des revêtements HVOF. La matrice métallique des composites a été arrachée préférentiellement, suivie par des grains de céramiques. Les taux d'érosion des revêtements HVOF étaient un peu plus faibles que ceux des aciers inoxydables martensitiques. D'autres matériaux projetés, comme les plastiques ou des matériaux qui se transforment sous contrainte pourraient être encore plus résistants. Les revêtements métalliques de Fe3Al ont été complètement érodés après 100 min. Un recuit pré-déposition de 2 heures à 1000�C du (Fe3Al)30Ti35BN35 a réduit le taux d'érosion d'un facteur 2, tandis qu'à 1400�C le taux d'érosion a augmenté significativement. Le revêtement possédant le plus faible taux d'érosion est le (Fe3Al)30Ti35BN35 recuit à 1000�C. La dureté des matériaux a été déterminée à l'aide de la micro- ou nano-indentation. Le taux d'érosion des aciers massifs diminue avec la dureté, mais aucune corrélation entre les propriétés des revêtements et leur résistance à l'érosion par cavitation n'a été observée.  ABSTRACT: Cavitation is the leading cause of erosion of hydraulic turbines. HVOF protective coatings were investigated as a means of protecting steels from cavitation erosion. HVOF is a thermal spray technology enabling the spray of dense and hard coatings, such as compositeWC-CoCr. The indirect vibratory apparatus based on the ASTM G32 standard was used to investigate cavitation erosion: the sample was maintained at 500 μm distance from the vibrating horn, which produced acoustic cavitation bubbles that imploded near the specimen causing impacts, pitting and erosion. Wear mechanisms and mechanical properties of coatings were measured to try to predict the cavitation resistance of coatings. To understand cavitation erosion, some theoretical calculations on bubble characteristics in the vibratory apparatus were performed. The pressure field in the vibratory apparatus was approximated using the Rayleigh equation as a plane wave. A quasi-stationary wave was established between the disk and sample with a 5 MPa amplitude and 20 kHz frequency. In this pressure field, bubbles with radius greater than 5.6 μm in quasi-static conditions and bubbles having lower radius than 2.6 mm in dynamic conditions implode. The cavitation erosion behavior of martensitic and ferritic stainless steels, milled or unmilled metallic coatings (444HVOF, Fe3Al) and cermets (WC-CoCr, Fe3Al...) was investigated. The effect of pre-deposition annealing on the cavitation erosion behavior of a cermet coating, (Fe3Al)30Ti35BN35), was also observed. Pitting and cracks were visible on the steel surface using a scanning electron microscope (SEM) whereas, for the coating the ceramic grains were removed almost instantaneously. The composite coating's metal matrix was eroded preferentially followed by ceramic grain removal. The observed maximal erosion rates for composite HVOF coatings are lower than martensitic stainless steels, which demonstrated high cavitation erosion resistance. Fe3Al metallic coatings were completely eroded after 100 min. A 2 hour long 1000�C pre-deposition annealing of (Fe3Al)30Ti35BN35 reduced maximal erosion rate by a factor of two whereas a 1400�C annealed sample exhibits higher erosion rate than unannealed. Hardness of the materials was determined using micro or nano-indentation. The cavitation erosion resistance of bulk steels improves with hardness, but not for coatings. Cavitation erosion behavior of coatings could not be predicted in terms of their mechanical properties. The best performing coating (1000�C pre-deposition annealed (Fe3Al)30Ti35BN35) has relatively high porosity and low hardness. 444 steel was studied as a bulk material and as a HVOF projected material. Bulk 444 exhibited the highest erosion rate, yet 444HVOF had similar cavitation erosion resistance as composite coatings, suggesting the importance of the thermal spraying process on the cavitation resistance of materials.


identifier: Hachem, B. (2016). Porcine Spine Finite Element Model of Progressive Experimental Scoliosis and Assessment of a New Dual-Epiphyseal Growth Modulating Implant  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale dont l'étiologie reste encore à élucider. Il est généralement admis que la progression de la déformation scoliotique pédiatrique est liée au principe d'Hueter-Volkmann qui stipule une réduction de la croissance suite à des contraintes en compression excessives au niveau de la concavité de la courbure scoliotique vs. sa convexité. Les stratégies de traitement des courbures sont difficiles, surtout chez les jeunes enfants. Typiquement, une intervention chirurgicale avec une instrumentation rachidienne accompagnée d'une arthrodèse segmentaire est nécessaire pour des courbures progressant au-delà de 40° d'angle de Cobb. De nouveaux dispositifs visent à manipuler la croissance vertébrale en exploitant le principe d'Hueter-Volkmann pour contrôler la progression de et corriger la courbure. Ces implants sans fusion exploitent la croissance vertébrale résiduelle en manipulant des gradients de croissance pour localement inverser la cunéiformisation vertébrale et, au fil du temps, réaligner la colonne vertébrale globalement. Des essais cliniques ont démontré une correction prometteuse pour les courbures généralement inférieures à 45°; cependant, les dispositifs actuels chevauchent l'espace du disque intervertébral et le compriment augmentant les risques de dégénérescence du disque à long terme. Par ailleurs, les implants nouvellement conçus sont généralement testés en utilisant des modèles animaux équivalents pour évaluer leur efficacité à corriger des déformations par l'intermédiaire de l'approche inverse (création d'une déformation) ou l'approche à 2- étapes (création d'une déformation suivie d'une correction). Néanmoins, une plate-forme de conception efficace est nécessaire pour évaluer la manipulation de la croissance à court et long termes par de nouveaux implants et de raccourcir le transfert de connaissances vers des applications cliniques. L'objectif général de cette thèse était de développer et de vérifier un modèle par éléments finis porcin (MEFp) unique en tant qu'une plateforme alternative pour la simulation de scolioses expérimentales progressives et des implants sans fusion, et d'évaluer un nouvel implant double-épiphysaire local ne chevauchant pas l'espace du disque sur des porcs immatures. Ainsi, les objectifs spécifiques suivants ont été complétés : 1) développer et  ABSTRACT: Scoliosis is a complex three-dimensional deformity of the spine whose etiology is yet to be elucidated. The pathomechanism of scoliosis progression is believed to be linked to the Hueter-Volkmann principle, by which growth is reduced due to increased growth plate compression, with the inverse also valid. Treatment strategies are challenging, especially in young children. Curves progressing beyond 40° Cobb angle are typically treated via invasive surgical interventions requiring spinal instrumentation accompanied by segmental spinal arthrodesis, impairing spinal mobility. New devices aim at manipulating vertebral growth by exploiting the Hueter-Volkmann principle to control curvature progression. These fusionless implants harness remaining vertebral growth by manipulating growth gradients to reverse vertebral wedging locally and, over time, globally realign the spine. Clinical trials have demonstrated promising deformity correction for curves generally below 45°; however, current devices bridge the intervertebral disc gap and predominantly compress the disc increasing the risks of longterm disc degeneration. Moreover, in a time-consuming manner, newly designed implants are commonly tested using equivalent animal models to assess their efficacy in correcting spinal deformities via the inverse (creation of a deformity) or the 2-step approaches (creation of a deformity followed by its subsequent correction). Nevertheless, a solid design platform is required to evaluate the short- and long-term growth manipulating efficacy of new implant designs and shorten knowledge transfer to clinical applications. The general objective of this thesis was to develop and verify a unique porcine spine finite element model (pFEM) as an alternative testing platform for the simulation of progressive experimental scoliosis and fusionless implants, and assess a new localized dualepiphyseal implant on immature pigs. Thus, specific objectives were devised as follows: 1) develop and verify a distinctive pFEM of the spine and ribcage, 2) develop and test, in vivo, a dual-epiphyseal implant incorporating a custom expansion mechanism, 3) exploit the developed pFEM to investigate differences between the inverse and 2-step fusionless implant testing approaches, and 4) exploit the pFEM to evaluate the biomechanical contribution of the ribcage in fusionless scoliosis surgery.