identifier: Ben Salem, A. (2016). Corrélation entre les propriétés physico-chimiques et électro-catalytiques de la réaction de réduction de l'oxygène sur des catalyseurs à base d'oxy-nitrure de titane pour la pile à combustible PEMFC  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans ce projet, l'oxy-nitrure de titane (TiOxNy) a été étudié, synthétisé et caractérisé comme un électro-catalyseur non noble pour la réaction de réduction de l'oxygène (RRO) en mileu acide. La méthode sol-gel a été utilisée pour la préparation de notre catalyseur avec 3 précurseurs différents nommés respectivement ; 'Ur' à base de l'urée,'O-isop' à base de l'isopropoxyde de titane et 'Ur+O-isop' où l'urée est ajoutée à la fin de la réaction. La deuxième étape étant le traitement thermique de chaque échantillon pendant 2 heures sous des températures respectives de 300, 500 et 700°C. Des analyses de diffraction des rayons X (XRD) ont été faites sur les différents échantillons recuits.  Des pics de la structure anatase de TiO2 ont été observés pour les 'O-isop' pour les échantillons 'Ur', les pics caractéristiques de TiN ont été détectés, même à des températures de recuit plus basses. L'augmentation de cette température a également fait apparaître des pics beaucoup plus marqués indiquant la croissance de la taille des cristallites. De plus, un assemblage membrane électrode a été fait et les paramètres adéquats, à savoir la température, la pression et le temps de collage ont été choisis pour procéder aux différents assemblages. Outre les caractérisations physicochimiques mentionnées ci-dessus, la polarisation dans un banc d'essai de PEMFC a été utilisée pour évaluer les propriétés électrochimiques des électro-catalyseurs. Les valeurs de la pente de Tafel, la densité de courant d'échange et le potentiel en circuit ouvert de la réaction ont révélé que l'électro-catalyseur préparé par le procédé de 'Ur ' et qui a été recuit à 700 °C, présentait une activité électro-catalytique plus élevée que tous les autres échantillons à base de (TiOxNy). Cette activité électro-catalytique reste néanmoins inférieure à celle de l'électro-catalyseur commercial Pt/C. Les paramètres électro-catalytiques de l'échantillon préparé par le procédé ‘Ur' sont : Pente de Tafel de -185 mV/décade ; densité decourant d'échange massique de 1,2x10-3 mA/mg, potentiel au repos ou en circuit ouvert de 0.47 volt / ENH (électrode normale à hydrogène) alors que celle de Pt/C commercial possède des valeurs respectives de -130 mV/décade, 220 mA/mg et de 0,91 Volt/ENH. Même si cette activité reste à améliorer pour l'électrode TiOxNy/C pour satisfaire des applications pratiques, ces résultats montrent néanmoins que ce type de matériau qui est moins onéreux et plus stable que le platine et qui est élaboré par des méthodes simple et moins onéreuses à une température plus basse présente des potentialités qui méritent d'être explorées.  ABSTRACT: In this project, the titanium oxy-nitride (TiOxNy) has been studied, synthesized and characterized as a non-noble electro catalyst for the reaction of oxygen reduction (ORR). The sol-gel method was used for the preparation of our catalyst with three different precursors named respectively; 'Ur' basic to urea,'O-isop' basic to titanium isopropoxide and 'Ur+O-isop'with the urea added to the end of the reaction. We proceed to the heat treatment of each sample for 2 hours at respective temperatures of 300, 500 and 700°C. Diffraction analysis of X-ray (XRD) were made on different samples annealed. The peaks of the anatase TiO2 were observed for 'O-isop', for samples 'Ur', characteristic peaks of TiN were detected even at lower annealing temperatures. Increasing the temperature also showed much more pronounced peaks indicating the growth of the crystallite size. Furthermore, a membrane electrode assembly was made and the appropriate parameters, namely the temperature, pressure and time of bonding were chosen to perform the various assemblies. In addition to the physicochemical characterizations mentioned above, the polarization in a testbed PEMFC was used to evaluate the electrochemical properties of electro-catalysts. The values of the Tafel slope, exchange current density and the initial potential showed that the electro-catalyst prepared by the 'Ur' method and which was treated at 700 °C had the best electro-catalytic activity compared to other samples with a Tafel slope equal to -185 mV / decade, exchange current density around 1.2E10-03 mA / mg and the starting potential close to 0.47 volts versus NHE (normal hydrogen electrode). This activity is less significant if compared to commercial catalyst (Pt/C).


identifier: Abtahizadeh, S. A. (2016). Understanding the Impact of Cloud Computing Patterns on Performance and Energy Consumption  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les patrons infonuagiques sont des solutions abstraites à des problèmes récurrents de conception dans le domaine de l'infonuagique. Bien que des travaux antérieurs aient prouvé que ces patrons peuvent améliorer la qualité de service des applications infonuagiques, leur impact sur la consommation d'énergie reste encore inconnu. Pourtant l'efficacité énergétique est un défi majeur pour les systèmes infonuagiques. Actuellement, 10\% de l'électricité mondiale est consommée par les serveurs, les ordinateurs portables, les tablettes et les téléphones intelligents. La consommation d'énergie d'un système dépend non seulement de son infrastructure matérielle, mais aussi de ses différentes couches logicielles. Le matériel, le firmware, le système d'exploitation, et les différentes composantes logicielles d'une application infonuagique, contribuent tous à déterminer son empreinte énergétique. De ce fait, pour une meilleure efficacité énergétique, il est important d'améliorer l'efficacité énergétique de toutes les couches matérielles et logicielles du système infonuagique, ce qui inclut les applications déployées dans le système infonuagique.  Dans ce mémoire, nous examinons l'impact de six patrons infonuagiques (Local Database proxy, Local Sharding Based Router, Priority Queue, Competing Consumers, Gatekeeper and Pipes and Filters) sur la consommation d'énergie de deux applications multi-traitement et multi-processus déployées dans un système infonuagique. La consommation d'énergie est mesurée avec l'outil Power-API, une interface de programmation d'application (API) écrite en Java et permettant de mesurer la consommation d'énergie au niveau du processus. Les résultats de nos analyses montrent que les patrons étudiés peuvent réduire efficacement la consommation d'énergie d'une application infonuagique, mais pas dans tous les contextes.  D'une manière générale, nous prouvons qu'il y a un compromis à faire entre performance et efficacité énergétique, lors du développement d'une application infonuagique. De plus, nos résultats montrent que la migration d'une application vers une architecture de micro-services peut améliorer les performances de l'application, tout en réduisant considérablement sa consommation d'énergie. Nous résumons nos contributions sous forme de recommandations que les développeurs et les architectes logiciels peuvent suivre lors de la conception et la mise en œuvre de leurs applications.  ABSTRACT: Cloud Patterns are abstract solutions to recurrent design problems in the cloud. Previous work has shown that these patterns can improve the Quality of Service (QoS) of cloud applications but their impact on energy consumption is still unknown. Yet, energy consumption is the biggest challenge that cloud computing systems (the backbone of high-tech economy) face today. In fact, 10% of the world's electricity is now being consumed by servers, laptops, tablets and smart phones. Energy consumption has complex dependencies on the hard- ware platform, and the multiple software layers. The hardware, its firmware, the operating system, and the various software components used by a cloud application, all contribute to determining the energy footprint. Hence, increasing a data center efficiency will eventually improve energy efficiency. Similarly, software itself can affect the internal design of cloud-based applications to optimize hardware utilization to lower energy consumption. In this work, we conduct an empirical study on two multi-processing and multi-threaded cloud- based applications deployed in the cloud, to investigate the individual and the combined impact of six cloud patterns (Local Database proxy, Local Sharding Based Router, Priority Queue, Competing Consumers, Gatekeeper and Pipes and Filters) on the energy consumption. We measure the energy consumption using Power-API; an application programming interface (API) written in Java to monitor the energy consumed at the process-level. Results show that cloud patterns can effectively reduce the energy consumption of a cloud application, but not in all cases. In general, there appear to be a trade-off between an improved response time of the application and the energy consumption. Moreover, our findings show that migrating an application to microservices architecture can improve the performance of the application, while significantly reducing its energy consumption. We summarize our contributions in the form of guidelines that developers and software architects can follow during the implementation of the cloud-based applications.


identifier: Apari Lauzier, J.-S. (2016). L'impact de l'interaction sol-structure sur l'évaluation sismique des cadres rigides en béton armé existants situés dans l'Est du Canada  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les structures existantes qui ont été conçues avec les précédentes versions du Code national du bâtiment du Canada sont susceptibles de présenter une réponse sismique non conforme aux exigences sismiques actuelles. Les structures existantes représentent toutefois une part importante du patrimoine bâti et constituent donc un enjeu économique pour les administrations actuelles, ainsi qu'un enjeu de sécurité civil pour les utilisateurs de ces bâtiments. L'évaluation sismique des structures est typiquement réalisée en considérant un sol parfaitement rigide, soit une condition aux frontières d'encastrement. Cette hypothèse est considérée comme conservatrice, mais restreint l'utilisation possiblement bénéfique de la flexibilité et l'amortissement du sol, démontré par plusieurs recherches récentes.  ABSTRACT: Existing structures that were designed using previous versions of building codes in Canada are likely to exhibit unsatisfactory seismic response in view of current seismic code requirements. Existing structures represent an important part of the built heritage and and the governments and building owners face important decisions weather it is more economical and safe to repair, strengthen or demolish such buildings. The seismic assessment of structures is typically performed by considering fixed-base support conditions. This approach is considered conservative, but it neglects the great potential to reduce seismic demand imposed on the superstructure through controlled foundation yielding, appropriate mobilisation of bearing capacity or the uplifting at the foundation-soil interface.


identifier: Salehi, R. (2016). COD "Loss" in Enhanced Biological Phosphorus Removal Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La validation des données observées provenant d'un procédé de traitement des eaux usées peut être réalisée en effectuant les bilans massiques en DCO et en azote. De faibles bilans massiques en DCO (environ 80%) ont été rapportés dans un certain nombre de cas pour les systèmes à boues activées incluant des zones non aérées. 'objectif de cette recherche était d'évaluer rigoureusement les bilans de masse en DCO et en azote sous différentes conditions environnementales, consitués de systèmes aérobie-aérobie (OX-OX), anoxie-aérobie (AX-OX) et anaérobie- aérobie (AN-OX), ce dernier étant utilisé pour la déphosphatation biologique des eaux usées et de proposer une explication à ce phénomène de faible bilan DCO.  ABSTRACT: Validation of observed data derived from a wastewater treatment process can be performed by conducting chemical oxygen demand (COD) and nitrogen (N) mass balances. Poor COD mass balances (about 80%) have been reported in a number of instances for activated sludge systems incorporating anaerobic zone. The objective of this research was to evaluate rigorously the COD and N mass balances under different environmental conditions including aerobic-aerobic (OX-OX), anoxic-aerobic (AXOX) and anaerobic-aerobic (AN-OX; as found in enhanced biological phosphorus removal (EBPR)) systems and to propose an explanation for this phenomenon.


identifier: Riahi, D. (2016). Suivi multi-objets par la détection : application à la vidéo surveillance  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans notre société, les systèmes intelligents ont retenu une attention considérable. En particulier, la vidéosurveillance représente un outil indispensable pour les systèmes de surveillance. Ces systèmes exploitent des données provenant de différents capteurs dans le but d'extraire des informations qui servent à prendre une décision (tel que des événements de menaces). Dans ce contexte, les algorithmes de suivi représentent un vaste sujet important parmi les algorithmes de traitement des systèmes intelligents de vidéosurveillance. En particulier, dans ce travail, on est intéressé par le suivi de plusieurs objets MOT (Multi Object Tracking). Bien que de nombreuses approches de suivi ont été proposées, ce sujet reste un défi. Ce travail présente une nouvelle approche de MOT. L'algorithme de MOT que nous avons développé est basé sur l'utilisation de plusieurs descripteurs visuels dans le cadre de l'association des données. Notre approche est capable de gérer certaines problématiques liées au suivi à savoir les occultations à long terme et la similarité entre les modèles d'apparence des objets cibles. L'algorithme MOT repose sur le concept de la fusion de plusieurs descripteurs. Il consiste à sélectionner la position exacte de l'objet à suivre en construisant une représentation robuste du modèle d'apparence des objets cibles. Le modèle d'apparence est extrait en utilisant le descripteur de couleur, le descripteur épars, le descripteur de mouvement et le descripteur de l'information spatiale. Dans le but de sélectionner l'objet candidat optimal (une détection) pour un objet cible, une fonction d'affinité linéaire est estimée. Cette fonction combine les différents scores de similarité qui sont calculés pour chaque descripteur mentionné ci-dessus. Dans notre système de MOT, le processus de suivi est formulé comme un problème d'association des données entre un ensemble des objets candidats (résultats d'un détecteur d'objets) et un ensemble des objets cibles en fonction de la valeur de leur probabilité jointe. Dans la partie expérimentale de ce travail, nous réalisons plusieurs expérimentations dans le but d'évaluer et de confirmer la robustesse de l'approche proposée. Cette dernière a été évaluée en utilisant des séquences vidéo publiques à savoir TUD et PETS2009. Ces évaluations prouvent la pertinence de notre approche en démontrant que notre approche de MOT surpasse plusieurs algorithmes récents de la littérature.  ABSTRACT: In our society, intelligent systems have attracted considerable attention. In particular, video surveillance is an essential tool for monitoring systems. These systems use data from different sensors in order to extract information used to derive a decision (such as events of threat). In this context, the tracking algorithm is a vast and important subject for video surveillance systems. In particular, in this work, we are interested in tracking multiple objects, MOT (Multi Object Tracking). Although numerous tracking approaches have been proposed, this remains a challenging task at the heart of video surveillance applications. This work presents a new MOT approach. The MOT algorithm we developed is based on the use of several visual features as part of the data association. Our approach is able to handle some issues related to tracking namely the long-term occlusions and the close similarity between the appearance model of the target objects. The proposed MOT algorithm is based on the concept of multifeature fusion. It is based on selecting the exact position of the tracked object by constructing a robust representation of appearance model of the target objects. The appearance model is extracted using the color descriptor, the sparse appearance model, the motion descriptor and the spatial information model. In order to select the optimal candidate object (detection) to a target object, a linear affinity function is estimated. This function combines the different similarity scores which are calculated for each descriptor mentioned above. In our MOT system, the tracking process is formulated as a data association problem between a set of candidate objects (results of a detector of objects) and a set of target objects based on their joint probability value. In the experimental part of this work, we perform several experiments in order to evaluate and to confirm the robustness of the proposed approach. It was evaluated using public video sequences namely TUD and PETS2009. These evaluations demonstrate the relevance of our approach by demonstrating that our MOT approach outperforms several recent algorithms of the state-of-the-art.


identifier: St-Jean, P. (2016). Dynamics of Excitonic Complexes Bound to Isoelectronic Centers: Toward the Realization of Optically Addressable Qubits  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La réalisation de qubits pouvant être couplés efficacement à des photons optiques est nécessaire pour réaliser la transmission d'information quantique à longue distance, par exemple à l'intérieur d'un réseau quantique. Le principal obstacle empêchant la réalisation de ces qubits addressables optiquement vient de la grande difficulté de trouver une plateforme offrant à la fois une grande homogénéité et un fort couplage optique. Les centres isoélectroniques (CIs),qui sont des impuretés isovalentes à l'intérieur d'un matériau semi-conducteur, représentent une alternative fort intéressante aux systèmes de qubits adressables optiquement proposés dans la littérature, soit les boîtes quantiques auto-assemblées et les centres NV dans le diamant souffrant, respectivement, d'un fort élargissement inhomogène et d'un couplage optique moins grand que les CIs. En effet, la nature atomique des CIs leur assure une homogénéité comparable aux centres NV et leur capacité à lier des complexes excitoniques présentant de forts moments dipolaires permet d'obtenir un couplage avec les champs photoniques aussi fort que dans les boîtes quantiques. Le but du travail présenté dans cette thèse est d'évaluer le potentiel de différents complexes excitoniques liés à ces CIs pour fabriquer des qubits adressables optiquement. Cette thèse par articles est séparée en deux grandes sections. Dans la première section, correspondant aux articles 1 et 2, j'ai étudié les caractéristiques physiques de qubits excitoniques liés à des CIs d'azote dans le GaP (Article 1) et le GaAs (Article 2). Plus précisément, ces articles présentent une analyse approfondie combinant des mesures de photoluminescence résolue dans le temps et des modèles de balance de populations afin d'identifier et de quantifier les différents mécanismes impliqués dans la dynamique de recombinaison des excitons. Dans la seconde section, j'ai démontré l'initialisation d'un qubit de spin de trou lié à un centre isoélectronique de Te dans une matrice de ZnSe. Contrairement aux qubits excitoniques, la cohérence des qubits de spin n'est pas limitée par leur émission spontanée permettant ainsi d'atteindre des temps de cohérence beaucoup plus intéressants. Le premier article de cette thèse présente une étude de la dynamique de recombinaison des excitons liés à des CIs d'azote dans le GaP. Le principal avantage relié à l'étude de ce système vient du fait qu'une grande variété de centres sont accessibles : ils peuvent être formés de 1,2 ou 3 impuretés d'azote et présenter différentes symétries à l'intérieur du matériau hôte.  ABSTRACT: The realization of qubits that can be efficiently coupled to optical fields is necessary for long distance transmission of quantum information, e.g. inside quantum networks. The principal hurdle preventing the realization of such optically addressable qubits arises from the challenging task of finding a platform that offers as well high optical homogeneity and strong light-matter coupling. In regard to this challenge, isoelectronic centers (ICs), which are isovalent impurities in a semiconductor host, represent a very promising alternative to the well-studied epitaxial quantum dots and NV centers in diamond which suffer, respectively,from a large inhomogeneous broadening and a less effective coupling to optical fields than ICs. Indeed, the atomic nature of ICs insures an optical homogeneity comparable to NV centers, and their ability to bind excitonic complexes with strong electric dipole moments allows them to offer an optical coupling similar to quantum dots. The aim of the work presented in this thesis is to evaluate the potential of different excitonic complexes bound to these ICs for building optically addressable qubits. This thesis by articles, is separated in two parts. In the first part, corresponding to Article 1 and 2, I study the physics of exciton qubits bound to N ICs in GaP (Article 1) and in GaAas (Article 2). More precisely, these articles present an analysis combining time-resolve PL measurements and balance of population models, allowing to identify and quantify the different mechanisms involved in the exciton recombination dynamics. In the second part, I demonstrate the initialization of a hole-spin qubit bound to a Te IC in ZnSe. Contrary to exciton qubits the coherence time of spin qubit is not limited by their spontaneous emission, allowing to preserve coherence on a much more significant timescale. The first article of this thesis presents a study of the recombination dynamics of excitons bound to N ICs in GaP. The principal advantage of studying this system comes from the large variety of atomic configurations that can be accessed: ICs can be formed from one, two or three impurities, and exhibit different local symmetries inside the host lattice. Although it appears very challenging to realize optically addressable qubits in this system due to its low coupling to optical fields, it has allowed for a better understanding of how the atomic configuration of the underlying IC influences the different mechanisms involved in exciton recombination dynamics (capture, inter-level transfers, and radiative and non-radiative recombination).


identifier: Altinakar, S. (2016). Complexité et cassage de symétrie pour le problème de la déficience d'un graphe  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une coloration d'arête d'un graphe G=(V,E) est une fonction c qui assigne un entier c(e) (appelé une couleur) dans {0, 1, 2,...} à chaque arête e dans E de sorte que des couleurs différentes soient assignées à des arêtes adjacentes. Une coloration d'arête est compacte si les couleurs des arêtes incidentes à chaque sommet forment un ensemble d'entiers consécutifs. Le problème appelé déficience consiste à déterminer le nombre minimum d'arêtes pendantes à rajouter au graphe pour que le graphe résultant ait une coloration d'arête compacte. Parmi les variations de ce problème, on compte le problème de la coloration d'arête compacte linéaire (k−LCCP) où il est possible d'utiliser uniquement les k couleurs dans {0, 1, ... , k−1}, et le problème de la coloration d'arête compacte cyclique (k−CCCP) où additionnellement la couleur 0 est considérée consécutive à la couleur k−1. Nous proposons une réduction polynomiale du k−LCCP (optionnellement avec des couleurs imposées ou interdites sur certaines arêtes) au k−CCCP lorsque k≥12, et au 12-CCCP lorsque k<12. Nous proposons et comparons également la performance de 3 modélisations en Programmation en Nombres Entiers et un modèle en Programmation par Contraintes pour le problème de la déficience, et déterminons le dernier comme étant le plus approprié pour ce problème. En raison des symétries, une instance du problème de déficience peut avoir de nombreuses solutions optimales équivalentes. Nous présentons une approche pour générer un petit ensemble de contraintes, appelées GAMBLLE, destinée à casser la symétrie, qui peuvent être incorporées au modèle en programmation par contrainte. Les contraintes GAMBLLE sont inspirées des contraintes de Lex-Leader, basées sur les automorphismes de graphe, et agissent sur des familles de variables permutables. Nous analysons leur impact sur la réduction du nombre de solutions optimales, ainsi que le gain de temps obtenu lors de la résolution d'une modélisation en programmation par contrainte.  ABSTRACT: An edge-coloring of a graph G=(V,E) is a function c that assigns an integer c(e) (called color) in {0, 1, 2,...} to every edge e in E so that adjacent edges are assigned different colors. An edge-coloring is compact if the colors of the edges incident to every vertex form a set of consecutive integers. The deficiency problem is to determine the minimum number of pendant edges that must be added to a graph such that the resulting graph admits a compact edge-coloring. Variations of this problem include the linear compact k-edge-coloring problem (k−LCCP) where there are only the k colors of {0, 1, ... , k−1} available, and the cyclic compact k-edge-coloring problem (k−CCCP) where additionally color 0 is considered consecutive to color k−1. We demonstrate a polynomial reduction of the k−LCCP (with optionally additional imposed or forbidden colors on some edges) to the k−CCCP when k≥12, and to the 12−CCCP when k<12. We also propose and compare the performance of three integer programming models and one constraint programming model for the deficiency problem, and determine the latter to be the best suited to model this problem. Because of symmetries, an instance of the deficiency problem can have many equivalent optimal solutions. We present a way to generate a small set of symmetry breaking constraints, called GAMBLLE constraints, that can be added to a constraint programming model. The GAMBLLE constraints are inspired by the Lex-Leader ones, based on automorphisms of graphs, and act on families of permutable variables. We analyze their impact on the reduction of the number of optimal solutions as well as on the speed-up of the constraint programming model.


identifier: Wu, Y. (2016). Multi-Criteria Inventory Classification and Root Cause Analysis Based on Logical Analysis of Data  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La gestion des stocks de pièces de rechange donne un avantage concurrentiel vital dans de nombreuses industries, en passant par les entreprises à forte intensité capitalistique aux entreprises de service. En raison de la quantité élevée d'unités de gestion des stocks (UGS) distinctes, il est presque impossible de contrôler les stocks sur une base unitaire ou de porter la même attention à toutes les pièces. La gestion des stocks de pièces de rechange implique plusieurs intervenants soit les fabricants d'équipement d'origine (FEO), les distributeurs et les clients finaux, ce qui rend la gestion encore plus complexe. Des pièces de rechange critiques mal classées et les ruptures de stocks de pièces critiques ont des conséquences graves. Par conséquent il est essentiel de classifier les stocks de pièces de rechange dans des classes appropriées et d'employer des stratégies de contrôle conformes aux classes respectives. Une classification ABC et certaines techniques de contrôle des stocks sont souvent appliquées pour faciliter la gestion UGS. La gestion des stocks de pièces de rechange a pour but de fournir des pièces de rechange au moment opportun. La classification des pièces de rechange dans des classes de priorité ou de criticité est le fondement même de la gestion à grande échelle d'un assortiment très varié de pièces. L'objectif de la classification est de classer systématiquement les pièces de rechange en différentes classes et ce en fonction de la similitude des pièces tout en considérant leurs caractéristiques exposées sous forme d'attributs. L'analyse ABC traditionnelle basée sur le principe de Pareto est l'une des techniques les plus couramment utilisées pour la classification. Elle se concentre exclusivement sur la valeur annuelle en dollar et néglige d'autres facteurs importants tels que la fiabilité, les délais et la criticité. Par conséquent l'approche multicritères de classification de l'inventaire (MCIC) est nécessaire afin de répondre à ces exigences. Nous proposons une technique d'apprentissage machine automatique et l'analyse logique des données (LAD) pour la classification des stocks de pièces de rechange. Le but de cette étude est d'étendre la méthode classique de classification ABC en utilisant une approche MCIC. Profitant de la supériorité du LAD dans les modèles de transparence et de fiabilité, nous utilisons deux exemples numériques pour évaluer l'utilisation potentielle du LAD afin de détecter des contradictions dans la classification de l'inventaire et de la capacité sur MCIC. Les deux expériences numériques ont démontré que LAD est non seulement capable de classer les stocks mais aussi de détecter et de corriger les observations contradictoires en combinant l'analyse des causes (RCA). La précision du test a été potentiellement amélioré, non seulement par l'utilisation du LAD, mais aussi par d'autres techniques de classification d'apprentissage machine automatique tels que : les réseaux de neurones (ANN), les machines à vecteurs de support (SVM), des k-plus proches voisins (KNN) et Naïve Bayes (NB). Enfin, nous procédons à une analyse statistique afin de confirmer l'amélioration significative de la précision du test pour les nouveaux jeux de données (corrections par LAD) en comparaison aux données d'origine. Ce qui s'avère vrai pour les cinq techniques de classification. Les résultats de l'analyse statistique montrent qu'il n'y a pas eu de différence significative dans la précision du test quant aux cinq techniques de classification utilisées, en comparant les données d'origine avec les nouveaux jeux de données des deux inventaires.  ABSTRACT: Spare parts inventory management plays a vital role in maintaining competitive advantages in many industries, from capital intensive companies to service networks. Due to the massive quantity of distinct Stock Keeping Units (SKUs), it is almost impossible to control inventory by individual item or pay the same attention to all items. Spare parts inventory management involves all parties, from Original Equipment Manufacturer (OEM), to distributors and end customers, which makes this management even more challenging. Wrongly classified critical spare parts and the unavailability of those critical items could have severe consequences. Therefore, it is crucial to classify inventory items into classes and employ appropriate control policies conforming to the respective classes. An ABC classification and certain inventory control techniques are often applied to facilitate SKU management. Spare parts inventory management intends to provide the right spare parts at the right time. The classification of spare parts into priority or critical classes is the foundation for managing a large-scale and highly diverse assortment of parts. The purpose of classification is to consistently classify spare parts into different classes based on the similarity of items with respect to their characteristics, which are exhibited as attributes. The traditional ABC analysis, based on Pareto's Principle, is one of the most widely used techniques for classification, which concentrates exclusively on annual dollar usage and overlooks other important factors such as reliability, lead time, and criticality. Therefore, multi-criteria inventory classification (MCIC) methods are required to meet these demands. We propose a pattern-based machine learning technique, the Logical Analysis of Data (LAD), for spare parts inventory classification. The purpose of this study is to expand the classical ABC classification method by using a MCIC approach. Benefiting from the superiority of LAD in pattern transparency and robustness, we use two numerical examples to investigate LAD's potential usage for detecting inconsistencies in inventory classification and the capability on MCIC. The two numerical experiments have demonstrated that LAD is not only capable of classifying inventory, but also for detecting and correcting inconsistent observations by combining it with the Root Cause Analysis (RCA) procedure. Test accuracy improves potentially not only with the LAD technique, but also with other major machine learning classification techniques, namely artificial neural network (ANN), support vector machines (SVM), k-nearest neighbours (KNN) and Naïve Bayes (NB). Finally, we conduct a statistical analysis to confirm the significant improvement in test accuracy for new datasets (corrections by LAD) compared to original datasets. This is true for all five classification techniques. The results of statistical tests demonstrate that there is no significant difference in test accuracy in five machine learning techniques, either in the original or the new datasets of both inventories.


identifier: Beya, F. K. (2016). Étude du transfert de chaleur dans les remblais en pâte cimentés curant sous les conditions aux frontières des chantiers miniers dans le pergélisol  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement de la résistance mécanique du remblai en pâte cimenté (RPC) mis en place dans les chantiers souterrains est influencé entre autres facteurs par la température de cure. Dans le cas particulier du remblayage des chantiers miniers situés dans le pergélisol, la connaissance de du champ de température dans le RPC et son évolution suite aux échanges de chaleur avec l'encaissant est importante pour l'optimisation de recettes de mélange au laboratoire. Des codes numériques validés constituent de bons outils pour prédire le comportement thermique du RPC in situ. Dans le cas du remblayage de chantiers miniers dans le pergélisol, il n'existe presque pas de données expérimentales pour valider ce type de codes et l'effet de la salinité des eaux (inévitable dans ces conditions) a été peu étudié. L'objectif de cette étude était de développer de nouveaux outils pour prédire les conditions thermiques de cure du RPC à l'échelle d'un chantier souterrain dans le pergélisol. Pour cela, il fallait: a) étudier l'influence de la température et de la salinité sur l'évolution des propriétés thermiques en fonction du temps de cure du RPC; b) réaliser des essais de transfert de chaleur 1D et 3D dans le RPC afin d'obtenir des données expérimentales requises pour le calage et la validation des modèles numériques développés avec le module « Heat Transfer » du code COMSOL Multiphysics® et enfin; c) utiliser le modèle numérique validé pour étudier le transfert de chaleur dans le RPC curant sous les conditions aux frontières des chantiers miniers dans le pergélisol  ABSTRACT: The strength development in the cemented paste backfill (CPB) placed in underground stopes is influenced among other factors by the curing temperature. In the particular case of the backfilling of stopes located in the permafrost, the knowledge of the field range of temperature in the CPB and its evolution following the heat exchanges with the rock mass is important to optimize laboratory mixing recipes. Validated numerical codes are good tools to predict the in situ thermal behavior of CPB. In the case of the backfill in permafrost, there is almost no experimental data to validate this type of codes and the effect of water salinity (inevitable in these conditions) has been barely studied. The objective of this study was to develop new tools to predict the thermal curing conditions of the CPB at a scale of an underground stope in permafrost. For this it was necessary to: a) study the influence of temperature and salinity on the development of thermal properties over the CPB cure time; b) perform 1D and 3D heat transfer tests in the CPB in order to obtain experimental data required for calibration and validation of numerical models developed with the module "Heat Transfer" code COMSOL Multiphysics® and finally; c) study heat transfer in the CPB curing in the boundary conditions of the mine stopes in permafrost using the validated numerical models.


identifier: Gonzalez, P. (2016). Modélisation de la propagation des inondations en zone urbaine  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La modélisation numérique de propagation d'inondation permet d'obtenir des projections sur les caractéristiques d'écoulement telles que la vitesse, la hauteur d'eau et la superficie inondée. Ces modèles comptabilisent rarement les effets de l'onde de crue dans une zone urbaine par manque de données, de temps ou de ressources informatiques. Pourtant, une meilleure connaissance des attributs de l'écoulement dans le tissu urbain aurait d'importants impacts dans une cartographie des risques plus précise et ainsi dans leurs préventions.  ABSTRACT: Flood propagation numerical modelling enables projections making on flow characteristics such as speed, water surface elevation and flooded areas. These models rarely account for the flood wave effect in urban areas because of a lack of data, time or computing resources. However, a better flow attributes understanding in the urban setting would have significant impacts for more precise risk mapping and prevention.


identifier: Oswald, A. (2016). Pultrusion multi-filière assistée par le vide de LIN/PLA  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation couplée de fibres végétales et de matrices thermoplastiques biosourcées permettrait la fabrication de pièces composites à faible impact environnemental possédant des caractéristiques mécaniques satisfaisantes à bas prix. La pultrusion de ces matériaux présente des défis en raison de la viscosité des thermoplastiques et de la température de dégradation des fibres végétales. La faisabilité de la pultrusion de ces matériaux a été démontrée, mais l'imprégnation des pièces obtenues doit être améliorée. Cette étude présente une amélioration significative de l'imprégnation de profilés d'acide poly-lactique renforcé par des fibres de lin obtenus en pultrusion à partir de fils parallèles hybrides. Un système de pultrusion modulaire a été mis en place afin de modifier l'étape d'imprégnation. Trois configurations du système ont été étudiées : utilisation d'une seule filière d'imprégnation, utilisation de deux filières d'imprégnation, puis la combinaison de deux filières d'imprégnation et d'un environnement sous vide. Le degré d'imprégnation des pièces a été caractérisé par microscopie optique, par des tests de cisaillement plan et par des mesures du taux de porosité. L'influence de la taille des fils de renforts a été étudiée en utilisant des fils de lin de 200, 400 et 1000 Tex. La dégradation thermique du lin a été caractérisée par analyse thermogravimétrique. Les fibres de lin utilisées se dégradent à des températures supérieures à 200°C. Une augmentation du module et de la résistance en cisaillement des pièces a été observée lors de l'utilisation de deux filières. Un taux de porosité de 2.5% et des résistances en traction d'environ 300 MPa ont été atteints pour des pièces fabriquées à 50 mm/min avec un taux de fibre de 50%, à partir de fils de lin de 200 Tex. L'utilisation de plusieurs filières d'imprégnation a permis une amélioration significative de l'imprégnation sans augmentation des efforts de traction. L'implémentation d'un module sous vide a été possible mais n'a eu aucun effet mesurable sur la qualité d'imprégnation. Par contre, le module sous vide a diminué la porosité en cas de pultrusion au-delà de 200°C où des gaz émis par la dégradation du lin ont été extraits.  ABSTRACT: The coupled use of natural fibres and biosourced thermoplastic resins enable the use of low cost composite parts with low environmental impact and satisfactory mechanical properties. Manufacturing these parts by pultrusion is challenging due to thermoplastics' high viscosities and thermal degradation of natural fibres. The feasibility of natural fibre reinforced thermoplastics was previously demonstrated, but impregnation levels of final part were unsatisfactory for commercial applications. This study reports a significant improvement in the impregnation level of flax reinforced poly-lactic acid pultruded beams obtained using parallel hybrid yarns. A modular pultrusion system was built to investigate modifications made on the impregnation step of the process. For this purpose, three dies configurations were studied: one pultrusion die, two pultrusion dies, and two pultrusion dies combined to a vacuum environment in between. Impregnation quality was characterized using optical microscopy, in-plane shear tests and void content measurements. The influence of reinforcement yarn size was studied using 200,400 and 1000 Tex flax yarns. Flax thermal degradation was characterized using thermogravimetric analysis. Flax fibres degraded when temperature were above 200°C. Increased shear modulus and shear strength of the composite parts were observed when two pultrusion dies were used. Using a speed of 50 mm/min and a fibre volume content of 50% with 200 Tex yarns, void contents of 2.5% and an average tensile strength of 300 MPa were reached. The use of several impregnation die was found to significantly improve the impregnation without increasing the pulling force. The vacuum environment was successfully implemented, and had no measurable effect on the impregnation quality. However, the vacuum module reduced the void content above 200°C, when gases emitted by flax fibres thermal degradation were extracted.


identifier: Garapin, J. (2016). Modélisation non linéaire du galop en rotation pour des cylindres rectangulaires  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire étudie un phénomène physique dont la nature est encore mal connue : le galop en rotation, ou en torsion. Il s'agit d'une instabilité qui peut apparaître lorsqu'un cylindre de section non circulaire est placé dans un écoulement transversal. Suivant les paramètres de l'écoulement et la forme du cylindre, on observe qu'il peut entrer en vibrations, en rotation autour de son axe central. Cette instabilité est évidemment une limitation pour des projets industriels, qui recherchent le plus souvent une grande stabilité des structures. On cherche dans ce travail à modéliser ce phénomène le plus simplement et justement possible. Des travaux précédents donnent des conclusions différentes sur la nature du galop en torsion, et expliquent son apparition par des raisons physiques variées. On cherchent donc à explorer ces différentes hypothèses (phénomène quasi-statique, effets d'histoire...) pour vérifier leur validité. On construit un modèle à partir d'expériences numériques bidimensionnelles, en utilisant un code éléments finis pour les problèmes couplés entre fluide et solide. De nombreux cas sont étudiés, trois géométries ont été retenues pour cette étude (le carré, et deux rectangles). La plus grosse partie du travail n'est pas dans l'obtention des résultats expérimentaux, mais dans leur traitement théorique. Un modèle relativement simple existe déjà, et est utilisé comme critère pour prédire l'apparition du galop en rotation. Nous utilisons ce modèle comme point de comparaison. On introduit trois grandeurs déterminantes, classiques en mécanique : la raideur, l'amortissement et l'inertie ajoutées par le fluide. Nous modélisons ensuite ces grandeurs à partir de nos résultats expérimentaux. Dans le cas d'une section carrée, on voit qu'on peut développer un modèle qui se rapproche du précédent, bien qu'il soit plus complet. On constate aussi que l'inertie ajoutée est négligeable. Ce modèle adapté aux sections carrées n'est pas valide sur les sections rectangulaires, ce qui montre les limitations du critère existant, et améliore la compréhension du phénomène. Les conclusions de ce travail ont donc un réel intérêt pour la recherche et l'industrie : on comprend qu'un critère simple ne peut pas être appliqué de façon générale, et on cerne mieux les origines du galop en torsion.  ABSTRACT: We studied a mechanical instability that is still hard to understand precisely, the rotational (or torsional) galloping. This instability can occur when a non-circular cylinder is located in a cross-flow. Depending on the shape of the cylinder and the angle of attack of the fluid, the cylinder can vibrate in rotation around its central axis. This is an obvious limitations to industrial projects, in which structures are often thought to be as stable as possible. In this paper, we build the simplest model we can. Previous works had different conclusions and mechanical explanations about the reasons for rotational galloping. We investigate the usual hypotheses (quasi steady phenomenon, history effects...) to ensure they make sense in this problem. We build our model from numerical two-dimensional experiments, using a finite-element method for fluid-structure problems. Many experiments are implemented, on the three sections we have chosen at the beginning of the project: a square and two different rectangles. The main part of the work is to process experimental data, and to find a theoretical formulation to explain our results. A simple model was developed in the last few years, and is used as a criterion to predict occurrence of the rotational galloping. We base our theory on this model, and introduce added stiffness, damping and inertia. We build a model for these three classical quantities, from our numerical experiments. For the square section, we develop the existing model, which is found to be a simplification of a general model. We also show that added inertia is negligible. However, the model built for a square section is not valid for rectangular sections. It shows the limitation of the simple model used for industrial purposes, and allows a better understanding of the phenomenon. Conclusions of this work have a real industrial and theoretical interest. We understand that a simple criterion cannot probably be used in a general way on various shapes.


identifier: Maknoon, M. (2016). Slope Stability Analyses of Waste Rock Piles Under Unsaturated Conditions Following Large Precipitations  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les roches stériles sont extraites des mines pour accéder aux zones minéralisées. Le traitement de cette roche n'est pas économiquement rentable. Les roches stériles sont habituellement transportées par camions (ou convoyeurs) et disposées en haldes à la surface. Ces haldes doivent être conçues de manière à assurer leur stabilité géotechnique pendant que la mine est en opération et après sa fermeture. La construction optimale de ces haldes à stériles requiert une bonne planification. La présente thèse traite de l'analyse de la stabilité des haldes de grande taille. Les principaux objectifs du travail présenté dans cette thèse consistent à i) enrichir les connaissances sur le comportement géotechnique des haldes à stériles de grande taille, ii) étudier l'effet des propriétés mécaniques des matériaux sur la stabilités des haldes, iii) améliorer la capacité d'évaluer la stabilité de la pente des haldes selon différentes configurations internes et externes, iv) étudier les effets de l'infiltration d'eau et des fluctuations des pressions interstitielles négatives (succion matricielle) sur la stabilité des pentes des haldes à stériles en conditions non saturées sur le facteur de sécurité, et v) étudier l'influence de la variabilité spatiale des propriétés mécaniques des matériaux dans les haldes sur leur stabilité. Même si elles se basent sur des situations typiques, les analyses n'ont pas été menées pour simuler en détail un cas spécifique, mais plutôt pour mettre en application une procédure d'évaluation systématique de la stabilité des haldes à stériles non saturées, en tenant compte des paramètres qui l'influencent  ABSTRACT: Waste rock is extracted from mines to reach the ore zones and is not economically valuable. They are usually transported by truck (or conveyor) and placed in waste rock piles on the ground surface. Waste rock piles must be designed to ensure their geotechnical stability during mine operations and after closure. The optimal construction of a pile requires detailed planning. This thesis deals with the stability analysis of large waste rock piles. The main objectives of the work presented in this thesis were to i) increase the knowledge of the geotechnical behaviour of large waste rock piles, ii) investigate the effect of material properties on waste rock pile stability, iii) improve the ability to estimate the slope stability of waste rock piles of different internal and external configurations, iv) investigate the contribution of water infiltration and change in the matric suction (negative pore water pressure) on the slope stability of unsaturated waste rock piles and the related changes in the factors of safety, and v) study the influence of spatial variability of the waste rock mechanical properties on stability. This study used numerical analysis to assess the behaviour and stability of unsaturated waste rock piles. Although based on typical situations, these analyses were not intended to simulate particular cases in detail, but rather to apply a systematic procedure to evaluate the stability of unsaturated waste rock piles and investigate the influencing parameters.


identifier: Silva Lafaia Simoes, M. I. (2016). Contributions to Modeling and Simulation of HVAC Cables Using Field Test Results  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'intérêt pour les câbles de transmission de puissance a augmenté au cours des dernières années avec des projets ayant lieu partout dans le monde. Cette tendance a motivé le développement de modèles de câble plus précis utilisés dans la simulation des transitoires électromagnétiques. Cette thèse aborde les différents domaines d'action associés à la modélisation et à la simulation des câbles à haute tension en courant alternative. Le premier champ d'action est la validation de modèles de câbles pour la simulation de transitoires électromagnétiques. La validation est basée sur des essais disponibles en tenant compte des différents paramètres et équipements. L'approche typique pour l'analyse des résultats d'essais consiste à extraire l'atténuation et la vitesse de l'onde ainsi que l'impédance caractéristique et à comparer ces valeurs à ceux du modèle. Cette approche permet de vérifier qu'un modèle de câble est précis, mais ne donne pas des indications sur les sources de divergence lorsque les résultats de l'essai et de la simulation ne sont pas en accord. Cette thèse présente une nouvelle approche pour la validation d'un modèle de câble pour la simulation des transitoires électromagnétiques, basée sur des résultats d'essais sur le terrain. L'innovation consiste à extraire les paramètres par unité de longueur du câble à partir des formes d'onde mesurées, plutôt que d'extraire seulement l'atténuation, la vitesse et l'impédance caractéristique. Ces données supplémentaires fournissent une base additionnelle pour l'analyse des résultats de l'essai et de la simulation. Le deuxième champ d'action de cette thèse est l'étude du phénomène de décharge naturelle des câbles. Bien que très peu d'essais de décharge se trouvent dans la littérature, ce phénomène est un sujet important pour les ingénieurs qui réalisent des tests sur des câbles à haute tension et pendant des travaux d'entretien. Récemment, le sujet de décharge a été le sujet de nouvelles considérations par certains gestionnaires de réseaux qui utilisent les câbles pour réguler la tension du réseau. Cette thèse contribue à l'étude des caractéristiques de décharge des câbles de type ‘papier imprégné d'huile sous pression' à 275 kV.  ABSTRACT: The interest towards power transmission cables has increased in the recent years with projects taking place all over the world. This trend has motivated research for better understanding of phenomena associated with cables as well for more accurate cable models used in the simulation of electromagnetic transients (EMTs). This thesis addresses the different fields of action associated with the modeling and simulation of HVAC cables. The first field of action is the validation of cable models for the simulation of EMT's. The most reliable validation method is based on comparison with field test results performed on actual cable system. Typically, the analysis of field test results consists of extracting the wave attenuation, velocity and surge impedance and comparing to those of the cable model. Although this approach allows verifying the cable model, it gives little insight into the sources of divergence when field test and simulations do not agree. This thesis presents a new method for validating a cable model for simulation of EMT's based on surge field test results. The innovation consists of extracting per-unit-length (PUL) cable parameters from the measured waveforms, rather than simply extracting attenuation, velocity and characteristic impedance. This approach provides a broader base for analyzing field test and simulation results. The second field of action is the study of cable natural discharge. Although very few test results of cable charging and discharging can be found in the literature, this phenomenon is a matter of concern to cable engineers particularly when performing tests and during maintenance work. Recently, the charging/discharging phenomenon has received renewed consideration from utilities when using high-voltage (HV) cables for voltage control during periods of light load which requires nightly switching of cables. This thesis investigates discharging characteristics of 275 kV POF cables based on field and laboratory tests. The factors affecting the phenomenon, i.e. cable capacitance, leakage resistances of cable insulation and external insulators, are identified and typical values are provided. From these values, the time required to discharge a cable to safe voltage limits (25 V according to IEC 60479-1) is calculated. A correction factor to account for the impact of relative air humidity on the leakage resistance of external insulators is proposed. The results of this study can be applied to the design of cable protections and to evaluate the need for special discharge equipment.


identifier: Le Hir, N. (2016). Modèles numériques de la stimulation optique de neurones assistée par nanoparticules plasmoniques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La stimulation de neurones par laser émerge depuis plusieurs années comme une alternative aux techniques plus traditionnelles de stimulation artificielle. Contrairement à celles-ci, la stimulation lumineuse ne nécessite pas d'interagir directement avec le tissu organique, comme c'est le cas pour une stimulation par électrodes, et ne nécessite pas de manipulation génétique comme c'est le cas pour les méthodes optogénétiques. Plus récemment, la stimulation lumineuse de neurones assistée par nanoparticules a émergé comme un complément à la stimulation simplement lumineuse. L'utilisation de nanoparticules complémentaires permet d'augmenter la précision spatiale du procédé et de diminuer la fluence nécessaire pour observer le phénomène. Ceci vient des propriétés d'interaction entre les nanoparticules et le faisceau laser, comme par exemple les propriétés d'absorption des nanoparticules. Deux phénomènes princpaux sont observés. Dans certains cas, il s'agit d'une dépolarisation de la membrane, ou d'un potentiel d'action. Dans d'autres expériences, un influx de calcium vers l'intérieur du neurone est détecté par une augmentation de la fluorescence d'une protéine sensible à la concentration calcique. Certaines stimulations sont globales, c'est à dire qu'une perturbation se propage à l'ensemble du neurone : c'est le cas d'un potentiel d'action. D'autres sont, au contraire, locales et ne se propagent pas à l'ensemble de la cellule. Si une stimulation lumineuse globale est rendue possible par des techniques relativement bien maîtrisées à l'heure actuelle, comme l'optogénétique, une stimulation uniquement locale est plus difficile à réaliser. Or, il semblerait que les méthodes de stimulation lumineuse assistées par nanoparticules puissent, dans certaines conditions, offrir cette possibilité. Cela serait d'une grande aide pour conduire de nouvelles études sur le fonctionnement des neurones, en offrant de nouvelles possibilités expérimentales en complément des possibilités actuelles. Cependant, le mécanisme physique à l'origine de la stimulation lumineuse de neurones, ainsi que celui à l'orgine de la stimulation lumineuse assistée par nanoparticules, n'est à ce jour pas totalement compris. Des hypothèses ont été formulées concernant ce mécanisme : il pourrait être photothermique, photomécanique, ou encore photochimique. Il se pourrait également que plusieurs mécanismes soient à l'oeuvre conjointement, étant donné la variété des observations. La littérature ne converge pas à ce sujet et l'existence d'un mécanisme commun aux différentes situations n'a pas été démontrée.  ABSTRACT: For several years, laser light has been used as an alternative means of artificially stimulating neurons. Unlike more traditional methods, this technique does not require a direct interaction with the organic tissue, such as those based on electrical stimulation. In addition, no genetic manipulation is needed, as it is required in optogenetic frameworks. More recently, nanoparticles have been added to the experimental process of light stimulation of neurons. These particles allow for a better spatial control of the method and potentially necessitate smaller fluences to trigger a neuron reaction, thanks to the specific properties of the interaction between a laser light and nanoparticles, such as absorption. This stimulation consists in two main phenomena. In some cases, depolarisation of the neuron membrane occurs, or an action potentiel can even be triggered. In other cases, an inward calcium influx is detected by the fluorescence of a calcium sensitive protein. On the one hand, some of these stimulations are global, which means that a perturbation of the neuron propagates to the whole cell. Action potentials belong to this category of stimulation. On the other hand, some stimulations remain local and do not propagate any further. Whereas a global stimulation with light is relatively well achieved with contemporary methods such as optogenetics, a local stimulation is more difficult to evoke. Nanoparticle assisted light stimulation techniques seem to provide this possibility, which would open new opportunities of experimental studies on the biophysics of neurons. However, the physical mechanism responsible for the light stimulation and the nanoparticle assisted light stimulation of neurons is not yet completely understood. Several hypothesis have been proposed to explain the experimental results : photothermal, photomechanical, or photochemical mechanisms have been mentioned. Furthermore, a simultaneous combination of several of these mechanisms could be responsible for the effect. The existence of a common mechanism for all experiments has not been determined yet in the literature. The most popular assumption is the one of a photothermal mechanism, which seems to be the most likely experimentally. We analyse this possibility and we propose theoretical models to compare numerical calculations to experimental observations. Firstly, we study models based on thermosensitive ion channels. Ion channels are proteins populating the cell membrane and are essential to many biological processes. Several methods exist to evaluate the effect of temperature on ion channels, such as Hodgkin-Huxley models, thermodynamic models and Markov models.


identifier: Hall, D. (2016). Étude de la distribution des champs magnétostatiques dans une section d'essais de type CANDU chauffée par effet de Joule  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Parmi tous les paramètres physiques considérés lors de l'analyse de sûreté d'un réacteur nucléaire, le  flux de chaleur critique (FCC) fait partie des plus importants. Afin d'étudier le FCC sous des conditions expérimentales relativement sécuritaires, la chaleur dégagée par le combustible nucléaire peut être reproduite grâce à l'effetet de Joule. Or, afin de générer la puissance thermique nécessaire pour les expériences sur le FCC des réacteurs CANDU, des courants électriques très élevés de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers d'ampères sont requis ce qui génère un champ magnétostatique très intense capable d'interagir avec la section d'essais et l'instrumentation. Conséquemment, l'industrie nucléaire est préoccupée par les effets de ce champ magnétique sur les données collectées et par les forces d'origine magnétique agissant sur le système. Dans ce contexte, le travail présenté dans ce mémoire de maîtrise vise l'implémentation d'une  méthodologie de calcul capable de fournir une information détaillée sur le champ magnétique engendré par ces courants. Toutefois, étant donné la complexitée du système, une étude magnétostatique appropriée requiert une méthode numérique afin d'obtenir une distribution fiable du champ magnétique à travers différentes structures de la section d'essais. à cet effet, nous considérons dans le cadre de ce mémoire le volume integral equation method (VIEM), une méthode bien établie basée sur les solutions intégrales des équations de Maxwell. Plus précisément, nous employons le VIEM afin d'étudier la distribution du champ magétique à l'intérieur de la section d'essais et pour déterminer l'influence des prises conçues pour le branchement des capteurs de pression sur la symétrie de cette distribution. Étant donné que les méthodes intégrales incluent les conditions aux limites et par conséquent ne requièrent pas l'emploi d'un critère de convergence, nous proposons une nouvelle technique de discrétisation. L'emploi de cette procédure nous permet de raffiner nos calculs et de diminuer les erreurs numériques dans les régions physiques qui nous intéressent, notamment, aux proximités des discontinuités ferromagnétiques. Avant d'utiliser la méthode du VIEM nous avons comparé les prédictions avec des calculs analytiques. À cet égard, il faut mentionner que la complexité des problèmes magnétiques limite le traitement analytique aux cas simples,c.-à-d., ayant une certaine symétrie ou étant invariant par translation. Pour le traitement de ces types de problèmes, la méthode proposée dans ce mémoire produit d'excellents résultats.  ABSTRACT: Given all the different parameters considered during the safety analysis of a nuclear reactor,the critical heat flux (CHF) is one of the most important. In order to study the CHF under relatively safe experimental conditions, the heat emitted by the nuclear fuel can be reproduced using Joule heating. That being said, to generate the thermal power required for the CHF tests of CANDU reactors, electric currents in the order of many tens of thousands of amperes are required, which in turn generates very intense magnetostatic fields capable of interacting with both the test section and the instrumentation. Thus, the nuclear industry is very preoccupied by the effects of the magnetic field on the data collected and by the magnetic forces acting on the system. In this sense, the work presented in this thesis aims at the implementation of a calculation methodology capable of giving detailed information on the magnetic field generated by these currents. However, given the complexity of the system, an appropriate magnetostatic study requires a numerical method in order to obtain a reliable magnetic field distribution throughout each structure of the test section. Thus, we consider in the context of this thesis the volume integral equation method (VIEM), a well-established method based on integral solutions of Maxwell's equations. More precisely, we use the VIEM to study the symmetry of the magnetic field within the test section and to determine the influence of inlets designed for the attachment of pressure sensors. Given the fact that integral methods include boundary conditions and consequently do not require the use of a convergence criterion, we propose a new discretization technique. The use of this procedure permits us to refine our calculations and diminish the numerical errors in the physical regions of interest, namely, in the vicinity of ferromagnetic discontinuities. Before using the VIEM method we compared the predicted values with analytical calculations. To this end, the complexity of magnetic problems limits the analytical treatment to simple cases, that is to say, having a certain symmetry or being translation invariant. For the treatment of this kind of problem, the numerical method proposed in this master's thesis produces excellent results. Following the validation of the VIEM, we use it to simulate the distribution of the magnetic field in the test section.


identifier: Vulliet, F. (2016). Évaluation de la stabilité des structures hydrauliques fissurées à l'aide des méthodes d'éléments finis quasi statiques explicites et de l'équilibre limite 3D  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plusieurs structures hydrauliques souffrent d'importantes fissures discrètes tridimensionnelles (3D), qui créent des ensembles de blocs empilées les uns sur les autres. Il est important de considérer les particularités 3D de ces surfaces fissurées dans l'évaluation non-linéaires de la sécurité au glissement de ces structures. Une méthodologie pour estimer un facteur de sécurité au glissement (SSF) et une direction de glissement D, pour n'importe quelle structure admettant une fissure discrète, est présentée dans ce mémoire. Cette méthodologie utilise une méthode quasi-statique explicite par éléments finis (QSE-FEM) ayant une approche par réduction de capacité résistive (réduction des coefficients de friction et de cohésion).  ABSTRACT: Several hydraulic concrete structures suffer from severe tridimensional (3D) discrete cracking, producing an assembly of concrete blocks resting ones on top of the others. It is important to consider the 3D particularities of the cracked surfaces in the nonlinear sliding safety evaluation of these structures. A methodology to assess a sliding safety factor (SSF) and a sliding direction D for any structure with a 3D discrete crack using a quasi-static explicit nonlinear finite elements method (QSE-FEM) is presented herein in the context of the strength reduction approach.


identifier: Lachaîne, R. (2016). Ingénierie de nanoparticules plasmoniques robustes pour la génération de bulles par laser en vue d'applications biomédicales  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les chirurgiens génèrent des bulles dans le corps humain à l'aide d'irradiation laser depuis plusieurs décennies. Ils utilisent ces bulles comme de petits scalpels, leur permettant de faire des incisions précises et localisées. Une des applications de cet outil chirurgical est la perforation cellulaire. Au lieu d'utiliser une aiguille pour perforer la membrane des cellules, il est possible de focaliser des impulsions laser en surface d'une cellule, formant un plasma au point focal du laser et générant une bulle qui perfore la membrane cellulaire. Toutefois, ce procédé est assez lent et la perforation massive de cellules in-vivo n'est pas envisageable. Pour accélérer le processus, il est possible d'utiliser des nanoparticules plasmoniques. Ces dernières agissent comme des nano-antennes qui permettent de concentrer la lumière sur une échelle nanométrique. La possibilité d'irradier un grand nombre de nanoparticules simultanément a donné un nouvel élan à la génération de bulle comme outil de perforation cellulaire. L'utilisation de nanoparticules dans un contexte biomédical comporte toutefois certains risques. En particulier, la fragmentation de nanoparticules peut augmenter la toxicité du traitement. Dans un cas idéal, il est préférable d'utiliser des nanoparticules qui ne sont pas endommagées par l'irradiation laser. Cette thèse a pour but de développer une méthode d'ingénierie de nanoparticules robustes permettant la génération efficace de bulles à des fins biomédicales. Il est tout d'abord démontré expérimentalement que la formation de plasma est bel et bien le mécanisme physique principal menant à la génération de bulles lors de l'irradiation infrarouge (longueur d'onde de 800 nm) et ultrarapide (temps d'impulsion entre 45 fs et 1 ps) de nanoparticules d'or de 100 nm. Pour réaliser cette démonstration, une méthode pompe-sonde de détection de bulles d'environ 1 μm a été élaborée. Cette méthode a permis de mettre en évidence une différence de taille de 18 % entre les bulles générées avec une irradiation de polarisation linéaire par rapport à une polarisation circulaire lorsque la durée d'impulsion était inférieure à la picoseconde. Pour des impulsions plus longues, il est montré que les tailles de bulles sont indépendantes de la polarisation des impulsions incidentes. Ce comportement particulier est en accord avec les prédictions théoriques qui incluent la formation non-linéaire de plasma et ne peut pas être expliqué en considérant uniquement l'absorption des particules. Ensuite, une méthode de conception de nanoparticules robustes pour la génération de bulles est élaborée. Cette méthode se base sur les propriétés optiques des nanostructures.  ABSTRACT: Surgeons generate bubbles in the human body using laser irradiation for several decades. They use these bubbles as small scalpels, allowing them to make precise and localized incisions. One application that this surgical tool enables is the cell perforation. Instead of using a needle to puncture the membrane of the cells, it is possible to focus the laser pulses on the surface of a cell, forming a plasma at the focal point of the laser and generating a bubble that perforates the cell membrane. However, this process is quite slow and the massive in vivo perforation of cells is not realistic. To fasten the process, it is possible to use plasmonic nanoparticles. Those particles act as nano-antennas that concentrate the light with high precision. The ability to irradiate a large number of nanoparticles simultaneously gave a new hope for the bubble generation as a cell perforation tool. The use of nanoparticles in a biomedical context, however, involves certain risks. In particular, fragmentation of nanoparticles may increase the toxicity of the treatment. In an ideal case, it is preferable to use nanoparticles that are not damaged upon laser irradiation. This thesis aims to develop an engineering method of robust nanoparticles for the efficient generation of bubbles for biomedical purposes. It is first shown that the plasma formation is indeed the main physical mechanism leading to the generation of bubbles during the irradiation of 100 nm gold nanoparticles with ultrashort laser pulses (pulse width between 45 fs and 1 ps) in the near-infrared (wavelength of 800 nm). To achieve this demonstration, a pump-probe method has been developed to detect the bubble formation of about 1 μm diameter. This method enabled to show an 18 % size difference between the bubble generated from a linearly polarized laser pulse and a circularly polarized one, for pulse width below 1 ps. For longer laser pulses, it is shown that the bubble sizes are independent of the laser polarization. This unique behavior is in agreement with theoretical predictions that include the non-linear plasma formation and cannot be explained considering the particles absorption only. Next, a design method of robust nanoparticles for the generation of bubbles is presented.


identifier: Sarbishei, I. (2016). A Scalable High-Performance Memory-Less IP Address Lookup Engine Suitable for FPGA Implementation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La recherche d'adresse IP est une opération très importante pour les routeurs Internet modernes. De nombreuses approches dans la littérature ont été proposées pour réaliser des moteurs de recherche d'adresse IP (Address Lookup Engine – ALE), à haute performance. Les ALE existants peuvent être classés dans l'une ou l'autre de trois catégories basées sur: les mémoires ternaires adressables par le contenu (TCAM), les Trie et les émulations de TCAM. Les approches qui se basent sur des TCAM sont coûteuses et elles consomment beaucoup d'énergie. Les techniques qui exploitent les Trie ont une latence non déterministe qui nécessitent généralement des accès à une mémoire externe. Les techniques qui exploitent des émulations de TCAM combinent généralement des TCAM avec des circuits à faible coût. Dans ce mémoire, l'objectif principal est de proposer une architecture d'ALE qui permet la recherche rapide d'adresses IP et qui apporte une solution aux principales lacunes des techniques basées sur des TCAM et sur des Trie. Atteindre une vitesse de traitement suffisante dans l'ALE est un aspect important. Des accélérateurs matériels ont été adoptés pour obtenir une le résultat de recherche à haute vitesse. Le FPGA permettent la mise en œuvre d'accélérateurs matériels reconfigurables spécialisés. Cinq architectures d'ALE de type émulation de TCAM sont proposés dans ce mémoire : une sérielle, une parallèle, une architecture dite IP-Split, une variante appelée IP-Split-Bucket et une version de l'IP-Split-Bucket qui supporte les mises à jours. Chaque architecture est construite à partir de l'architecture précédente de manière progressive dans le but d'en améliorer les performances.  L'architecture sérielle utilise des mémoires pour stocker la table d'adresses de transmission et un comparateur pour effectuer une recherche sérielle sur les entrées. L'architecture parallèle stocke les entrées de la table dans les ressources logiques d'un FPGA, et elle emploie une recherche parallèle en utilisant N comparateurs pour une table avec N entrées. L'architecture IP-Split emploie un niveau de décodeurs pour éviter des comparaisons répétitives dans les entrées équivalentes de la table. L'architecture IP-Split-Bucket est une version améliorée de l'architecture précédente qui utilise une méthode de partitionnement visant à optimiser l'architecture IP-Split. L'IP-Split-Bucket qui supporte les mises à jour est la dernière architecture proposée. Elle soutient la mise à jour et la recherche à haute vitesse d'adresses IP. Les résultats d'implémentations montrent que l'architecture d'ALE qui offre les meilleures performances est l'IP-Split-Bucket, qui n'a pas recours à une ou plusieurs mémoires. Pour une table d'adresses de transmission IPv4 réelle comportant 524 k préfixes, l'architecture IP-Split-Bucket atteint un débit de 103,4 M paquets par seconde et elle consomme respectivement 23% et 22% des tables de conversion (LUTs) et des bascules (FFs) sur une puce Xilinx XC7V2000T.  ABSTRACT: High-performance IP address lookup is highly demanded for modern Internet routers. Many approaches in the literature describe a special purpose Address Lookup Engines (ALE), for IP address lookup. The existing ALEs can be categorised into the following techniques: Ternary Content Addressable Memories-based (TCAM-based), trie-based and TCAM-emulation. TCAM-based techniques are expensive and consume a lot of power, since they employ TCAMs in their architecture. Trie-based techniques have nondeterministic latency and external memory accesses, since they store the Forwarding Information Base (FIB) in the memory using a trie data structure. TCAM-emulation techniques commonly combine TCAMs with lower-cost circuits that handle less time-critical activities. In this thesis, the main objective is to propose an ALE architecture with fast search that addresses the main shortcomings of TCAM-based and trie-based techniques.  Achieving an admissible throughput in the proposed ALE is its fundamental requirement due to the recent improvements of network systems and growth of Internet of Things (IoTs). For that matter, hardware accelerators have been adopted to achieve a high speed search. In this work, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are specialized reconfigurable hardware accelerators chosen as the target platform for the ALE architecture. Five TCAM-emulation ALE architectures are proposed in this thesis: the Full-Serial, the Full-Parallel, the IP-Split, the IP-Split-Bucket and the Update-enabled IP-Split-Bucket architectures. Each architecture builds on the previous one with progressive improvements.  The Full-Serial architecture employs memories to store the FIB and one comparator to perform a serial search on the FIB entries. The Full-Parallel architecture stores the FIB entries into the logical resources of the FPGA and employs a parallel search using one comparator for each FIB entry. The IP-Split architecture employs a level of decoders to avoid repetitive comparisons in the equivalent entries of the FIB. The IP-Split-Bucket architecture is an upgraded version of the previous architecture using a partitioning scheme aiming to optimize the IP-Split architecture. Finally, the Update-enabled IP-Split-Bucket supports high-update rate IP address lookup. The most efficient proposed architecture is the IP-Split-Bucket, which is a novel high-performance memory-less ALE. For a real-world FIB with 524 k IPv4 prefixes, IP-Split-Bucket achieves a throughput of 103.4M packets per second and consumes respectively 23% and 22% of the Look Up Tables (LUTs) and Flip-Flops (FFs) of a Xilinx XC7V2000T chip.


identifier: Recio Garrido, D. (2016). Dynamic Modeling, Monitoring and Control of Staged Microbial Fuel Cells  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement humain est étroitement lié à la disponibilité d'énergie et, dans la même mesure, d'eau. La demande croissante de la production d'énergie consomme de grandes quantités d'eau, ainsi des quantités importantes d'énergie sont nécessaires pour le traitement des eaux usées. En prenant en considération le fait que les piles à combustible microbiennes (PCMs) sont capables de la production directe d'électricité à partir de déchets organiques dilués, elles présentent une excellente occasion pour développer une nouvelle technologie de traitement des eaux usées qui pourrait contribuer à résoudre ce dilemme. La polyvalence des PCMs pour fonctionner en utilisant une grande variété d'eaux usées industrielles et domestiques résulte de l'activité biocatalytique de leur biofilm. Les bactéries anaérobies électricigènes qui peuplent le compartiment anodique, transfèrent des électrons issus de l'oxydation de la matière organique à un accepteur d'électrons externe, l'anode. Lorsqu'on alimente les PCMs avec les eaux usées, l'électricité est récupérée à partir de la consommation de la matière organique dans le compartiment anodique, conduisant ainsi à un processus de traitement des eaux usées qui produit de l'énergie. Plusieurs études récentes ont démontré la grande capacité de stockage de charge dans les biofilms électrochimiques. Par exemple, le fonctionnement des PCMs avec modulation de la période de pulsation (pulse width modulation: PWM) ou d'une connexion intermittente de la résistance externe ont démontré que la capacité interne de biofilms anodiques conduit à un comportement non-linéaire complexe, qui combine charge/décharge avec une dynamique rapide, c'est-à-dire, avec des constantes de temps dans l'ordre de quelques millisecondes, avec une dynamique beaucoup plus lente de la croissance et de la décomposition du biofilm microbien, c'est-à-dire, avec des constantes de temps de l'ordre d'heures à quelques jours. Deux modèles déjà existants, dont les circuits électriques équivalents (CEE) décrivent la dynamique rapide électrique du biofilm anodique et dont les modèles bioélectrochimiques décrivent la dynamique lente de croissance de la biomasse et de la consommation de substrat. Cependant, aucun ne décrit les dynamiques complexes combinés causées par l'opération électrique intermittente. Des nouvelles méthodes de gestion de la puissance exploitent la capacité interne des PCMs de surmonter les pertes de puissance importantes causées par une inadéquation entre les résistances internes et externes. Pourtant, il y a un manque évident de stratégies de contrôle capables de répondre aux dynamiques multi-échelles liées à la double vi nature biologique et électrique des PCMs. On peut toutefois supposer que l'un des motifs implique l'absence de mesures en temps réel de la concentration du substrat dans l'effluent. Visant à évaluer l'impact du stockage de charge sur la performance des PCMs, la première contribution de cette thèse consiste au développement d'un modèle combiné bioélectrochimique-électrique (CBE) d'une PCM. En plus de décrire le stockage de la charge, le modèle CBE est aussi en mesure de décrire la dynamique multi-échelles non linéaire des PCMs en fusionnant des bilans de masse et d'électrons avec des équations décrivant un circuit électrique équivalent. La validation expérimentale et l'estimation des paramètres ont été effectuées en utilisant les résultats d'opération des PCMs avec une connexion PWM de la résistance externe. Le modèle CBE montre une précision acceptable pour décrire le comportement dynamique rapide et lent qui est observée dans la tension électrique produite par la PCM, tout en étant capable de prédire de manière adéquate la concentration du substrat à la sortie du réacteur. En outre, le modèle CBE est utilisé pour étudier qualitativement l'effet du cycle de service et la fréquence de commutation sur la performance des PCMs. L'augmentation de la fréquence de commutation du PWM favorise la population des bactéries électricigènes sur les méthanogènes pour des valeurs plus élevées de la résistance externe apparente. Ainsi, la puissance maximale présente un plateau allant de 100% à des valeurs du rapport cyclique inférieurs (environ 90%) ce qui confirme l'effet positif du fonctionnement intermittent de la résistance extérieure à la production d'électricité, même pendant des écarts avec la valeur de la résistance interne. La deuxième contribution de cette thèse est le développement de stratégies pour la surveillance de la qualité de l'effluent à partir de la mesure en temps réel des variables électriques. Une première approche consiste à simplifier le modèle CBE à une seule équation qui intègre le courant électrique comme une entrée dans le bilan de masse du substrat. Cette approche dynamique est valable dans toute la gamme des concentrations de l'effluent et nécessite l'estimation d'un seul paramètre qui relie le courant produit à la vitesse de substrat consommé. Pourtant, il faut que la concentration du substrat à l'entrée du réacteur soit connue. La seconde approche permet de surmonter cette limitation en décrivant le courant électrique en fonction de la concentration du substrat de l'effluent. La cinétique du modèle CBE suggère une expression type Monod avec l'ajout d'un terme limitant à des faibles concentrations de substrat dans l'effluent. Dans ce cas, trois paramètres doivent être estimés ce qui nécessite des mesures historiques. Des approximations à des faibles concentrations de l'effluent qui nécessitent l'estimation d'un seul paramètre sont également suggérées. vii Malheureusement, puisque toutes les stratégies sont basées sur des estimations en boucle ouverte, la convergence à la valeur réelle n'est pas garantie. Enfin, la troisième contribution de cette thèse propose une configuration de contrôle centralisé adapté pour le contrôle de la qualité des effluents en deux PCMs en série. La configuration des réacteurs en série est une technique largement répandue dans le cadre du traitement des eaux usées. Elle est utilisée pour augmenter les taux de consommation de la source de carbone et réduire les limitations de source de carbone liées à la cinétique microbienne. La commande centralisée proposée est constituée d'un régulateur PID pour commander le débit d'écoulement, et un dispositif de commande ON/OFF pour ajuster la connexion de la résistance externe de la première PCM. La comparaison avec une configuration de contrôle décentralisé qui utilise PIDs en cascade pour le contrôle du débit est aussi montrée. Dans les deux cas, l'opération électrique des PCMs en série est maintenue indépendante entre les cellules. Les résultats expérimentaux montrent un grand dépassement dans le débit manipulé lors de l'utilisation des PIDs en cascade décentralisées. En comparaison, les simulations du PID avec ON/OFF de la configuration de contrôle centralisé montrent un contrôle du débit plus rapide et sans dépassement, tout en étant capable de faire face à des perturbations dans la concentration à l'entrée du réacteur. De plus, la concentration du substrat dans l'effluent est maintenu dans des tolérances acceptables. Fondamentalement, le dispositif de commande ON/OFF utilise la résistance externe comme un équivalent électrique pour contourner hydrauliquement le premier réacteur lorsque des conditions de substrat sont trop faibles dans le deuxième réacteur.  ABSTRACT: Human development is intricately linked to both energy and water availability. Increasing demands for energy production require vast amounts of water consumption. At the same time, significant amounts of energy are required for wastewater treatment. With this respect, microbial fuel cells (MFCs), which are capable of direct electricity production from diluted organic wastes, present an excellent opportunity to develop a novel wastewater treatment technology that could contribute to resolving this dilemma.MFCs' versatility to operate using a wide variety of industrial and domestic wastewaters arises from their biofilm biocatalytic activity. Anaerobic exoelectricigenic bacteria that populate the anodic compartment, transfer electrons derived from the oxidation of organic matter to an external electron acceptor, the anode.When feeding MFCs with wastewater, electricity is recovered from the consumption of the organic matter in the anodic compartment, thus resulting in an energy-producing wastewater treatment process. Several recent studies demonstrated significant charge storage capacity in electrochemical biofilms. For instance, MFC operation with pulse-width modulated (PWM) or intermittent connection of the external resistance demonstrated that internal capacitance of anodic biofilms leads to complex non-linear behavior. Such behavior combines fast charge/discharge dynamics, i.e., with time constants in the order of milliseconds, with much slower dynamics of microbial biofilm growth and decay, i.e. with time constants in the order of hours to days. Already existent electrical equivalent circuit (EEC) models describe fast electrical dynamics of the anodic biofilm and bioelectrochemical models describe slow biomass growth and substrate consumption dynamics. However, none is able to describe the combined complex dynamics. Meanwhile, novel power management methods exploit such internal MFC capacitance to overcome the significant power losses caused by a mismatch between the external and internal resistances. Yet, there is an obvious lack of control strategies capable of addressing the multi-scale dynamics linked to the dual biological and electrical nature of MFCs. Presumably, one of the reasons involves the difficulty of real time measurements of the effluent substrate concentration. Aiming to evaluate the impact of charge storage on MFC performance, the first contribution of this thesis consists in the development of a combined bioelectrochemical–electrical (CBE) model of an MFC. In addition to charge storage, the CBE model is able to describe the multi-scale nonlinear ix dynamics of MFCs by merging mass and electron balances with equations describing an equivalent electrical circuit. Experimental validation and parameter estimation were performed using results of MFC operation with PWM connection of the external resistance. The CBE model shows an acceptable accuracy when describing both fast and slow dynamic behavior observed in the electric voltage produced by the MFC, while also being able to adequately predict the output substrate concentration. Furthermore, the CBE model is used to qualitatively study the effect of duty cycle and switching frequency on MFC performance. Increasing the switching frequency favors the exoelectricigenic over the methanogenic population for higher values of the apparent external resistance. Thus, maximum power presents a plateau ranging from 100 % to lower duty cycles (around 90 %) which corroborates the positive effect of the intermittent operation of the external resistance on the electricity production even during mismatch with the internal resistance value. The second contribution of this PhD thesis is the development of strategies for MFC effluent quality monitoring from the real time measurement of the electrical variables. A first approach simplifies the CBE model to a single equation that incorporates the electric current as an input into the substrate mass balance. This dynamic approach is valid in the whole range of effluent concentrations and requires the estimation of a single parameter relating the current produced to the rate of substrate consumed. Yet, it requires for the influent substrate concentration to be known. The second approach overcomes such limitation by describing the electric current as a function of the effluent substrate concentration. Kinetics of the CBE model suggest a Monod expression with the addition of a limiting term at low effluent concentrations. In this case, three parameters need to be estimated and therefore, it necessitates information from historical records. Approximations at low effluent concentrations are also suggested that only require the estimation of a single parameter. Unfortunately, because all the strategies are based on open-loop estimations, convergence to the true value is not guaranteed. Finally, the third contribution of this thesis proposes a centralized control configuration suitable for effluent quality control in two staged MFCs. Reactor staging is a technique widely used in the context of wastewater treatment. It is used to increase carbon source consumption rates and reduce carbon source limitations related to microbial kinetics. The centralized control configuration consists of a PID to control the flow rate and an ON/OFF controller to adjust the connection of the external resistance in the first MFC. A comparison is made with a decentralized control configuration that uses PIDs in cascade for the control of the flow rate. In both cases, the electrical x operation of the staged MFCs is kept independent between the cells. Experimental results show a big overshoot in the manipulated flow rate when using the decentralized cascade PIDs. Meanwhile simulations of the centralized PID-ON/OFF control configuration result in a quicker flow rate control with no overshoot and the ability to cope with disturbances in the influent concentration whilst keeping the effluent concentration within acceptable tolerances. Basically, the ON/OFF controller uses the external resistance as an electrical equivalent to hydraulically bypassing the first cell when substrate deplete conditions occur in the second cell.


identifier: Mangane, M. B. C. (2016). Amélioration de la résistance mécanique des remblais miniers en pâte cimentés : étude des effets de l'ajout d'adjuvants et de liants alternatifs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le remblai minier en pâte cimenté (RMPC) est une des méthodes de gestion intégrée des résidus miniers issus du traitement de minerais. C'est un mélange de résidus miniers, d'eau et de liant. Il présente plusieurs avantages d'ordre technique (support de terrain), économique et environnemental. En effet, il permet une exploitation minière plus complète (car laissant moins de pilier) et de retourner sous terre jusqu'à 50% des résidus (problématiques s'ils étaient déposés en surface). Cependant, cette pratique engendre d'importants coûts reliés à l'achat des liants qui représentent près de 80% des coûts globaux d'une opération de remblayage par RMPC. Dans cette perspective, le but de la présente étude était d'améliorer les résistances mécaniques des RMPC, tout en réduisant les coûts engendrés par la fabrication de ces derniers. Deux approches ont été investiguées. D'une part la substitution des liants traditionnels par des liants alternatifs sans ou avec faible valeur économique, et d'autre part par l'ajout d'adjuvant tels que les superplastifiants qui permettent de mieux optimiser l'ajout d'eau prouvée comme néfaste sur les propriétés mécaniques des RMPC. Par conséquent, il s'agit, en premier lieu, d'investiguer l'effet des divers additifs utilisés lors de la fabrication des RMPC comme les agents floculant. En second lieu, afin d'étudier la substitution optimale des liants traditionnels, le plan expérimental Taguchi a été utilisé pour déterminer les recettes optimales de liant suivi de leur géopolymérisation pour améliorer leur performances mécaniques tout en s'attardant sur l'effet pouzzolanique de ces sous-produits. En dernier lieu, l'évaluation de l'effet de diverses familles de superplastifiants sur les performances du remblai a été réalisée à l'aide d'essais de mesure du slump (affaissement), de compression uniaxiale, microcalorimétrie et la mesure du potentiel Zêta. Pour ce faire, quatre types de résidus (4 points d'échantillonnage dans l'usine de remblai) provenant de la mine polymétallique de LaRonde, quatre différentes familles de superplastifiants (lignosulfonate, polynaphtalène sulfonate, polymélamine sulfonate et polycarboxylate), différents liants alternatifs (sous-produits industriels ayant des propriétés pouzzolaniques) et du silicate de sodium ont été utilisés  ABSTRACT: Cemented paste backfill is one of the methods of integrated management of tailings from ore processing. It consists of filtered mine tailings, water and binders. CPB has some technical (ground support), economic, and environmental benefits. Indeed, it allows to increase ore extraction (leaving less pillar support) and to place underground up to 50% of tailings (which are problematic for surface disposal). However, paste fill practice involves significant costs and binders make up 80% of backfilling overall costs. Therefore, the main goal of this work is to enhance mechanical properties of CPB and reduce costs related to its manufacture. Two approaches were investigated. On the one hand, substituting traditional binders with alternative binders (by-products with low or no commercial values) and on the other hand, adding admixtures such as superplasticizers which allow optimizing the amount of mixing water recognized as deleterious for CPB mechanical properties. Consequently, it was, firstly, to assess the influence of additives used in CPB manufacture as flocculent agent. Secondly, to study the optimal substitution of traditional binders, Taguchi experimental design was used to determine the optimal recipes followed by their alkali-activation to improve theirs mechanical performances while focusing on by-products pozzolanicity. Finally, assessment of superplasticizers effects on CPB performances was made by using measurement tests of slump, uniaxial compression, microcalorimetry, and zeta potential measurements. To attain this aim, four types of tailings (four sampling points in the backfill plant) from LaRonde polymetallic mine, four different superplasticizers groups (lignosulfonate, polynaphthalene sulfonate, polymelamine sulfonate and polycarboxylate), alternative binders (industrial by-products having pozzolanic properties) and sodium silicate were used.