identifier: Leduc, A. (2013). Modèle d'optimisation de la redistribution des vélos d'un système de vélopartage  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes de vélopartage de troisième et quatrième génération comme le système BIXI de Montréal sont de plus en plus populaires partout à travers le monde. Le nombre d'usagers grandissant et la grande variabilité de la demande entraînent plusieurs difficultés au niveau de la gestion quotidienne. Un des principaux enjeux opérationnels des systèmes de vélopartage est le problème de redistribution des vélos dans le but de balancer les stations. En effet, les systèmes de vélopartage à sens unique, c'est-à-dire sans retour du vélo à sa station de départ, présentent des débalancements importants entre les stations au cours de la journée. La redistribution est donc nécessaire pour assurer à l'usager qu'il trouvera un vélo ou un stationnement lorsqu'il en aura besoin. Cependant, cette opération est coûteuse et difficile à planifier puisqu'elle nécessite une bonne compréhension des comportements des utilisateurs et implique une modélisation mathématique complexe. La contribution de cette recherche se situe au niveau du développement d'un outil opérationnel applicable dans un contexte réel permettant d'optimiser les activités de redistribution statique et dynamique. En effet, les problèmes de redistribution statique de nuit et dynamique de jour ont été abordés dans la littérature, mais aucun auteur n'apporte une solution concrète et applicable par l'industrie. En outre, la majorité des opérateurs de systèmes de vélopartage basent présentement leur redistribution sur leur expérience acquise de l'utilisation des vélos. En premier lieu, une revue de littérature a donc été réalisée sur les différents systèmes de vélopartage et leur fonctionnement en mettant l'accent sur le système BIXI de Montréal, sur les trois principaux enjeux liés à la redistribution (le problème de design de système, le problème de redistribution statique de nuit et le problème de redistribution dynamique de jour), sur l'analyse des patrons de demande des vélos ainsi que sur les indicateurs de performance utilisés pour qualifier la redistribution dans les systèmes de vélopartage. L'outil développé dans le cadre de cette recherche s'appuie sur des modèles d'optimisation en programmation par contraintes développés à l'aide du logiciel AIMMS. La méthodologie qui a permis le développement des modèles d'optimisation a débuté par l'examen des données BIXI. Cette analyse a permis de bien comprendre les données disponibles, les besoins en termes de redistribution et la performance actuelle des systèmes. Par la suite, le logiciel AIMMS ainsi que la programmation par contraintes ont été choisis pour la modélisation. Finalement, les différents modèles pour le problème de redistribution statique et pour le problème de redistribution dynamique ont été développés de façon itérative. Le processus méthodologique a permis de développer six différents modèles qui résolvent les deux problèmes de différentes façons. Trois modèles résolvent le problème statique : le modèle statique avec objectif précis, le modèle statique avec objectif précis et demande insatisfaite ainsi que le modèle statique avec intervalle objectif et demande insatisfaite. Trois modèles résolvent le problème dynamique : le modèle dynamique avec objectif précis, le modèle dynamique avec objectif précis et demande insatisfaite ainsi que le modèle dynamique avec niveau de service. L'objectif de la recherche étant de développer un outil facilement utilisable par les opérateurs de systèmes de vélopartage, une interface utilisateur a été développée dans AIMMS. L'interface utilisateur permet à l'opérateur de facilement comprendre et analyser les résultats du modèle en plus de modifier facilement les paramètres pour pouvoir tester différents scénarios. La nuit, l'opérateur exécute le modèle une fois et les routes optimales des camions de redistribution sont calculées. Le jour, l'opérateur peut exécuter le modèle à chaque fois qu'un camion termine une opération de redistribution. Les routes des camions sont donc calculées pour les deux prochaines heures par exemple. Plus la fréquence à laquelle l'opérateur exécute le modèle est importante, plus les résultats sont précis et optimaux. Pour valider son efficacité, l'outil a été testé sur les données de la journée du 16 juin 2011 du système BIXI. Les modèles les plus intéressants sont le modèle statique avec intervalle objectif et demande insatisfaite pour le problème statique de nuit et le modèle dynamique avec objectif précis et demande insatisfaite pour le problème dynamique de jour. Une analyse sommaire a permis de conclure que les modèles généraient de bonnes solutions. En effet, le modèle dynamique avec niveau de service a, par exemple, permis de générer une solution qui diminuait de 50% le nombre de périodes de non-service par rapport à ce qui a été calculé avec les données du 16 juin 2011. Une analyse de sensibilité a aussi été faite sur certains paramètres pour démontrer leur influence sur la solution. Ainsi, il a été possible de conclure que les paramètres initiaux influençaient beaucoup le résultat obtenu.  L'outil est donc efficace, flexible, il s'implante facilement et est un bon point de départ pour le développement d'un logiciel de redistribution plus complet.  ABSTRACT: Bikesharing systems of third and fourth generation like the BIXI system in Montreal are gaining in popularity across the world. The rapidly growing number of users and the important variability of the demand lead to important challenges in the daily management of a bikesharing system. One of the most important operational challenges in the bikesharing systems is the redistribution of the bicycles in order to balance the stations. The one-way bikesharing systems (with no return of the bike at its original location) present important unbalances between stations during the day. A redistribution system becomes necessary to insure that a user will find a bicycle or a parking spot when needed. However, the redistribution is costly and hard to plan because it is based on a good understanding of the users' behavior and implies a complex mathematical modeling. The contribution of this research is to develop an operational tool that can be used in a real operating context. The tool developed needs to support the optimization of the static and dynamic redistribution of the bicycles. Researches on static (at night) and dynamic (during the day) redistribution are present in the literature but no author brings a concrete solution easily applicable in an operational context. Moreover, the majority of bikesharing system operators based their redistribution on their empirical knowledge of the bicycles' demand. Firstly, a literature review was conducted on the different bikesharing systems and the way they operate focusing on the BIXI system in Montreal, the principal redistribution challenges (system design, static redistribution and dynamic redistribution), the demand analysis and the key performance indicators used to qualify the redistribution in bikesharing systems. The tool that has been developed in this research is based on optimization models in constraint programming developed on the AIMMS platform. The development of these models started with an analysis of BIXI's data to better understand available data, need in terms of redistribution and actual performance of the system. Subsequently, AIMMS and constraint programming were chosen for the modeling. Finally, the models for static and dynamic redistribution were developed iteratively. The methodology used has led to the development of six different models addressing in different ways the static and dynamic problem. Three models addressed the static problem, the static model with precise target, the static model with precise target and unsatisfied demand, the static model with target interval and satisfy demand. Three other models addressed the dynamic problem: the dynamic model with precise target, the dynamic model with precise target and unsatisfied demand and the dynamic model with service level. The main objective of the model is to develop a tool easily usable by bikesharing systems' operators; a user interface has been developed in AIMMS. With the user interface, the operator can easily understand and analyze the output data of a model. In addition, he can also modify parameters to test different scenarios. At night, the operator runs the model one time and the optimal truck routes are calculated. During the day, the operator can run the model every time a truck completes a redistribution operation. The truck routes are then calculated for the next two hours for example. The more often the model is run, better are the results. To validate the effectiveness of the tool, it has been tested on data from the BIXI system from June 16th 2011. The most interesting models are the static model with target interval and unsatisfied demand for the static problem at night and the dynamic model with precise target and unsatisfied demand for the dynamic problem during the day. By performing a summary analysis, it was possible to conclude that the models were generating good solutions. For example, the dynamic model with service level  has generated a solution decreasing the number of non-service periods by 50% in relation to the data from June 16th 2011. A sensibility analysis has also been conducted on some of the parameters to demonstrate their influence on the solution. From those analyses, it is possible to conclude that the starting point of a model influences significantly the results achieved at the end. The tool that has been developed is effective, flexible, easy to implement and it is also a good starting point for the development of a more complete redistribution software.


identifier: Dansereau, L. P. (2013). Cadre de planification intégrée de la chaîne logistique pour la gestion et l'évaluation de stratégies de bioraffinage forestier  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le bioraffinage est maintenant reconnu comme une solution prometteuse pour la transformation de l'industrie forestière. Ce concept offre l'opportunité aux entreprises forestières de diversifier leurs revenus par la production de nouveaux bioproduits à valeur ajoutée. La transition vers le bioraffinage implique toutefois plusieurs changements stratégiques importants, notamment dans le modèle d'affaires des entreprises. En effet, celles-ci devront à la fois se questionner sur la pertinence de rester ou non dans le domaine plus traditionnel des pâtes et papiers, faire la sélection d'un portefeuille de procédés et produits de bioraffinage, pénétrer de nouveaux marchés, et effectuer une gestion de la production permettant de minimiser le risque de volatilité du marché. Au cours des dernières années, les principes de gestion de la chaîne logistique ont été au cœur des recherches du milieu universitaire et de l'industrie afin d'accroître la rentabilité de l'ensemble des opérations. L'application des concepts de gestion de la chaîne logistique pourrait donc grandement aider les entreprises forestières à être plus compétitives globalement.  Dans cette optique, l'objectif principal de cette thèse était de concevoir une approche systématique pour la gestion et l'évaluation de stratégies de bioraffinage intégrées à une usine forestière. À cet effet, une approche de gestion de la chaîne logistique dite axée sur les marges de profit a été développée. Celle-ci intègre des concepts inspirés de la gestion des recettes, de la flexibilité manufacturière et de la comptabilité par activité. Les concepts sont incorporés dans un modèle de planification tactique dont l'objectif est de maximiser la rentabilité de l'entreprise.  La structure du modèle mathématique et du modèle de coût associé permettent de représenter le plus fidèlement possible les activités de l'entreprise, de l'approvisionnement, jusqu'aux ventes. Il est ainsi possible de modéliser les différentes configurations de procédés présentes dans une usine et menant à la flexibilité manufacturière. Le modèle peut alors être utilisé comme plateforme pour évaluer différentes stratégies d'opération de l'entreprise, aux niveaux de la production et de la chaîne logistique. L'approche axée sur les marges de profit a été illustrée par l'étude du cas d'une usine de production de papier journal envisageant l'implantation d'un procédé de fractionnement de la biomasse pour fabriquer différents bioproduits. Diverses analyses tactiques et stratégiques ont été effectuées pour montrer la pertinence de l'approche comme outil d'aide à la prise de décision pour des problèmes de gestion propres au bioraffinage forestier. Le modèle a été utilisé pour évaluer la rentabilité d'une entreprise lors de sa transformation vers le bioraffinage, en considérant simultanément l'investissement dans de nouveaux procédés de bioraffinage et la fermeture d'actifs papetiers. En offrant une meilleure visualisation et une meilleure compréhension de la dynamique des coûts et de la chaîne logistique sous divers scénarios, l'outil permet d'éclairer le processus de prise de décision. Couplé à une analyse de scénarios, il offre aussi la possibilité de développer une stratégie d'implantation par phase qui stabiliserait les revenus lors de la transformation vers le bioraffinage.  L'outil de planification a aussi été employé pour étudier la gestion de la production du portefeuille de produits permettant d'atténuer les risques causés par la volatilité du marché. Une des analyses reliées à la gestion du portefeuille porte sur l'exploitation de la flexibilité au niveau de la production de pâtes thermomécanique et désencrée afin de minimiser le coût d'approvisionnement en matières premières selon les conditions du marché. Une autre analyse étudie l'impact de la flexibilité de l'approvisionnement et de la production d'un procédé de fractionnement de la biomasse sur les ventes et la rentabilité.  Les résultats de l'étude montrent que les processus d'approvisionnement et de production doivent être considérablement modifiés selon les conditions de marché pour produire un portefeuille de produits avec des marges optimales. La dynamique des coûts de production et le nombre d'interrelations présentes dans une bioraffinerie forestière complexifient l'identification des meilleures conditions d'opération. Ils corroborent ainsi la pertinence d'utiliser un tel modèle de planification pour identifier les meilleures opportunités. De plus, les résultats montrent que, dans un contexte où les ventes peuvent être variées jusqu'à un certain niveau, il peut être souhaitable de payer davantage pour certains types de biomasse si ces derniers offrent un portefeuille de produits avec de meilleurs revenus.  ABSTRACT: Biorefining is now recognized as a promising solution to transform the struggling forestry industry and to generate value-added pathways. The implementation of new products and processes will help companies to diversify revenues, but implies several strategic changes in the business model. Companies will face the dilemma of exiting or not traditional pulp and paper operations, while selecting their biorefinery product and process portfolio. As well, they will have to enter new markets and manage production to minimize the risk of market volatility. Over the past decades, both industry and academia paid a lot of attention to supply-chain management in order to increase the cost effectiveness of overall operations. The application of supply-chain management concepts could therefore greatly help the transforming North American forestry industry to compete globally.  The objective of this Ph.D. project was to propose and illustrate an integrated supply-chain planning framework for the management and the evaluation of forest biorefinery strategies. This framework, named margins-based, integrates principles from revenue management, activity-based cost accounting, and manufacturing flexibility in a tactical planning model that maximizes profit of a company. The structure of the mathematical model and its associated cost model aims to represent as closely as possible the activities of a company, from procurement to sales. It enables the modeling of different process configurations leading to manufacturing flexibility. The model can thus be used as a platform for evaluating various operating strategies of a company, at both production and supply-chain levels. A case study of a newsprint mill implementing a parallel biomass fractionation line producing several bioproducts was used to illustrate this margins-based approach. Various strategic and tactical analyses were conducted to show the relevance of the approach as a decision-making tool for management problems related to the forest biorefinery. The model was used to evaluate the profitability of a company during its transformation to the biorefinery, by considering the gradual divestment in pulp and paper activities, while implementing a new biorefinery process. Results show that the tool can enhance decision-making activities by providing a better visualization and better comprehension of supply-chain and cost- related dynamics under different scenarios. Coupled with a scenario analysis, it offers the opportunity to develop a phased implementation strategy that would stabilize profitability during the transformation to the biorefinery. The planning tool was also used to study the management of a product portfolio to mitigate the risk of market volatility. One analysis focused on the exploitation of thermomechanical and deinked pulping flexibility in order to minimize the cost of raw material procurement in different to market conditions. Another analysis examined the impact of feedstock and production flexibility of a fractionation process on sales and profitability. Results show that the procurement and production needed to manufacture the product mix that provides the optimum margins vary significantly. Biorefinery processes can have complex interrelations that make dynamics and trade-offs between manufacturing options not easy to identify and understand. Results thus highlight the relevance of using such planning tools to identify the best opportunities. In a context where sales can be varied to a certain level, results also show that it may be beneficial to pay more for certain types of biomass if they offer a product portfolio mix with higher revenues.


identifier: Ouadday, R. (2013). Étude des structures sandwichs verre/époxy de grandes épaisseurs utilisées comme extension d'avant directrices de turbines hydroélectriques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux composites occupent actuellement une place considérable dans tous les secteurs industriels. L'intérêt majeur de ces matériaux réside dans leur large éventail de propriétés grâce à la possibilité de concevoir des composites personnalisés avec précision pour répondre aux demandes d'une application particulière. De ce fait, l'innovation est essentielle pour découvrir des nouveaux composites qui peuvent être utilisés dans diverses applications où les matériaux classiques ont déjà atteint leurs limites de performance. C'est dans ce contexte qu'est né ce projet qui s'intéresse au tamisage et la caractérisation mécanique des matériaux composites utilisés pour fabriquer une extension pour l'avant-directrice d'une turbine hydroélectrique. La première étape du projet est d'effectuer une première sélection des matériaux qui participeront à la fabrication des panneaux sandwich et ensuite à l'extension de l'avant-directrice. Pour la résine, on a choisi deux résines époxy (Résine A et Résine B). Vu que le durcissement de l'époxy est une réaction exothermique, on a choisi trois types de charges différents pour étudier leurs effets sur le comportement du durcissement de l'époxy : poudre d'aluminium, billes de verre et le trihydrate d'alumine. Pour étudier l'effet des fibres de verre courtes sur l'exotherme et les propriétés mécaniques de l'âme, deux dimensions différentes des fibres de verre courtes (1/16″ et le 1/32″) ont été utilisées. Pour le renfort des peaux, nous avons gardé les mêmes tissus déjà utilisés par ALSTOM mais en essayant des stratifications différentes afin de décider de la grandeur de l'épaisseur des peaux. La deuxième étape est la sélection finale des matériaux qui seront utilisées pour la fabrication de l'extension de l'avant-directrice. Comme il n'y a aucun modèle prévisionnel fiable pour répondre à cette question, on a procédé par la méthode essais/erreurs en essayant plusieurs formulations de résine contenant des taux de charges et de fibres de verre courtes différents. Après une étude comparative, on a été convaincu que la formulation la plus adéquate pour l'âme de la structure sandwich est celle formée par la résiné A et 60 % d'ATH comme charges. En ce qui concerne les peaux, on a décidé que la résine (A) est la mieux adaptée pour fabriquer les peaux par infusion. La troisième partie est consacrée à la fabrication des structures sandwich et la détermination de leurs propriétés mécaniques.  ABSTRACT: Composites are currently occupying an important place in all industrial sectors. The major advantage of these materials is their wide range of properties with the ability to design custom composite accurately to meet the demands of a particular application. Therefore, innovation is essential to discover new composites that can be used in various applications where conventional materials have already reached their limits of performance. This project focuses on screening and mechanical characterization of composite materials used to make an extension to the stay vane of a hydraulic turbine. Materials selection is the first stage of the project which involve the manufacture of sandwich panels and then the stay vane extension. Two epoxy resins (Resin A and Resin B) were chosen as candidate for this project. Because the curing of the epoxy is an exothermic reaction and it is planned to use thick moldings for the stay vane, three different types of fillers were selected in order to lower the maximum temperature at the exotherm. These filling materials are: Aluminum powder, glass bubbles and alumina trihydrate. To study the effect of short glass fibers on the exothermic and mechanical properties of the core, two different lengths of short glass fibers (1/16" and 1/32") were used. For the reinforcement of skin, we kept the same tissues already used by ALSTOM, however, the skin thickness and laminate sequence was varied. The second step is the final selection of materials to be used for manufacturing the extension of the stay vane. For this part, we used the trial and error method and we performed several formulations containing various filler content and various short glass fibers. After a comparative analysis, it was concluded that the most appropriate formulation for the core of the sandwich structure is formed by the resin A and 60% ATH as fillers. Concerning the skins, it was decided that the resin (A) is best suited to make the skins by infusion. The third part is devoted to the manufacture of sandwich structures and the determination of their mechanical properties. For this, we made two different sandwich structures: sandwich A and sandwich B. For the two sandwich configurations, the skin is made of a 4 mm thick bidirectional laminate of a glass fiber reinforced epoxy. The first sandwich configuration has a 35 mm thick core made of alumina trihydrate filled epoxy E/ATH making the overall thickness 43 mm. The second sandwich configuration differs from the first one only by the insertion of a 100 mm thick expanded polystyrene foam in its middle, making the overall thickness 143 mm.


identifier: Binan, L. (2013). Fabrication par électrofilage d'une structure à élution de facteurs de croissance pour contrôler la différenciation de cellules souches neuronales en neurones moteurs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les blessures médullaires et les lésions étendues des nerfs handicapent des milliers de nouvelles personnes chaque année aux États-Unis seulement. Il n'y a actuellement aucun traitement permettant la guérison de ces blessures. Une approche envisagée est la greffe de structures chargées de cellules souches pour rétablir les fonctions originelles du tissu. Ce travail vise donc à développer une méthode de fabrication d'une structure qui puisse offrir un support mécanique aux cellules, tout en délivrant sur place le cocktail de biomolécules adéquat pour diriger la différenciation des cellules vers le phénotype de neurone moteur. Afin de préparer cette structure, de la gélatine et de l'acide polylactique-L ont été co-électrofilés. L'électrofilage permet la fabrication de fibres de diamètre dépendant de la concentration des solutions en polymère. Les fibres ainsi fabriquées ont été réticulées afin de ralentir et contrôler leur dégradation. Les biomolécules permettant de promouvoir la différenciation des cellules en neurones moteurs, l'acide rétinoïque et la purmorphamine, ont été incluses dans la partie extérieure des fibres, en gélatine. Ces molécules ont diffusé de manière continue à partir des fibres, dans le milieu liquide. Les cellules implantées sur cette structure ont proliféré et se sont différenciées en neurones moteurs. Leur phénotype a été caractérisé par immunofluorescence.  ABSTRACT: Spinal cord injury and extended nerve injury currently have no cure. These pathologies are responsible for the decrease in quality of life of thousands of new people every year in the US only, and are draining huge costs to the healthcare system. Current research in the area focuses on the grafting of an artificial structure loaded with stem cells to restore tissue functions. The objective of this work is to propose a structure that can offer mechanical support to the cells, favor their proliferation, and promote their differentiation into motor neuron, by delivering in situ the appropriate cocktail of growth factors. Such structure was prepared by co-electrospinning of poly L-lactic acid and gelatin. Fiber diameter can be adjusted by controlling the polymer concentration. These fibers were crosslinked to slow their degradation. Retinoic acid and purmorphamine were included in the outer layer of gelatin. These two growth factors are known to direct cell differentiation towards a motor neurons phenotype and were continuously released from the fibers in the medium. Cells proliferated on the structure and differentiated into motor neurons. Their phenotype was characterized by immunostaining using sample images.


identifier: Dumas, M. (2013). Développement d'une méthode de simulation de pompage au sein d'un compresseur multi-étagé  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le pompage est un phénomène instationnaire, qui peut apparaître lorsque le compresseur opère à un débit trop faible par rapport à son point de conception. Cette instabilité aérodynamique est caractérisée par de grandes oscillations de pression et de débit, résultant en une perte de puissance soudaine de la turbine à gaz et pouvant créer des dommages importants sur les composants du moteur. La méthodologie développée à travers ce mémoire permet de simuler le comportement du fluide au sein d'un compresseur multi-étagé pendant le phénomène de pompage, et de ce fait prédire, lors de la phase de conception, la variation temporelle des forces aérodynamiques appliquées sur les pales, ainsi que la pression et la température aux points d'extraction d'air dans le compresseur pour le refroidissement des turbines. Bien que le compresseur soit l'élément d'intérêt et déclencheur du phénomène de pompage, le comportement du fluide durant cette instabilité est également dépendant des autres composants du moteur (chambre à combustion, turbine, conduites). Cependant, une simulation numérique de l'intégralité de la turbine à gaz ne peut être effectuée de façon pratique avec les technologies actuelles. L'approche utilisée consiste en un couplage d'une résolution numérique (CFD) 3D des équations moyennées de Navier-Stokes (RANS) du compresseur, avec des équations unidimensionnelles (qui représentent le comportement des autres éléments) appliquées sous forme de conditions limites dynamiques. La méthode fut mise en pratique avec un code commercial CFD RANS (CFX), dont certaines options facilitent l'implémentation des équations 1D aux conditions limites dynamiques du modèle CFD. De plus, afin d'obtenir des temps de calculs raisonnables, un seul passage d'aube par rangée d'aubes du compresseur fut simulé pour capturer le phénomène essentiellement unidimensionnel qu'est le pompage. Cette méthodologie fut appliquée à plusieurs géométries de compresseurs, aux caractéristiques bien particulières. Des simulations sur un compresseur axial multi-étagé, basse vitesse (incompressible), ont notamment permis de valider les résultats obtenus numériquement avec des données expérimentales, montrant que l'amplitude des oscillations en pression et en débit étaient bien capturées. La forte dépendance de la fréquence des oscillations envers le volume du plénum (chambre à combustion) fut notamment mise en avant.  ABSTRACT: Surge is an unsteady phenomenon which appears when a compressor operates at a mass flow that is too low relative to its design point. This aerodynamic instability is characterized by large oscillations in pressure and mass flow, resulting in a sudden drop in power delivered by a gas turbine engine and possibly important damage to engine components. The methodology developed in this thesis allows for the simulations of the flow behavior inside a multi-stage compressor during surge and, by extension, predict at the design phase the time variation of aerodynamic forces on the blades and of the pressure and temperature at bleed locations inside the compressors for turbine cooling. While the compressor is the component of interest and the trigger for surge, the flow behavior during this event is also dependent on other engine components (combustion chamber, turbine, ducts). However, the simulation of the entire gas turbine engine cannot be carried out in a practical manner with existing computational technologies. The approach taken consists of coupling 3-D RANS CFD simulations of the compressor with 1-D equations modeling the behavior of the other components applied as dynamic boundary conditions. The method was put into practice in a commercial RANS CFD code (ANSYS CFX) whose integrated options facilitated the implementation of the 1-D equations into the dynamic boundary conditions of the computational domain. In addition, in order to limit computational time, only one blade passage was simulated per blade row to capture surge which is essentially a one-dimensional phenomenon. This methodology was applied to several compressor geometries with distinct features. Simulations on a low-speed (incompressible) three-stage axial compressor allowed for a validation with experimental data, which showed that the pressure and mass flow oscillations are captured well. This comparison also highlighted the strong dependence of the oscillation frequency on the volume of the downstream plenum (combustion chamber). The simulations of the second compressor demonstrated the adaptability of the approach to a multi-stage compressor with an axial-centrifugal configuration. Finally, application of the method to a transonic compressor geometry from Pratt & Whitney Canada demonstrated the tool on a mixed flow-centrifugal compressor configuration operating in a highly compressible regime.


identifier: Vallée, C. (2013). Optimisation de la croissance de cellules HEK293 exprimant la pyruvate carboxylase dans un bioréacteur en mode cuvée-alimentée  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La demande pour les produits biopharmaceutiques ne cesse d'augmenter. Le processus de développement des bioprocédés se doit d'être rapide afin de pouvoir procéder rapidement aux essais cliniques dans le domaine. De plus, les coûts de production doivent être suffisamment bas pour permettre un coût raisonnable de vente. La majorité des molécules biologiques sont actuellement produites dans des cellules mammifères. Ces cellules sont toutefois caractérisées par un métabolisme lent, de faibles densités cellulaires atteintes en culture et conduisent à des concentrations en produit de l'ordre de quelques grammes par litre dans les meilleurs cas. Les cellules HEK293 sont une plateforme de production avantageuse de par leur origine humaine qui leur permet d'exprimer des protéines recombinantes comportant des modifications post-traductionnelles très similaires à celles présentes chez l'homme. La culture en mode cuvée est limitée par la quantité de nutriments disponible ce qui mène à de faible concentration finales en produit d'intérêt. La cuvée-alimentée est le mode de culture dominant dans l'industrie biopharmaceutique, car il est simple, flexible et la mise à l'échelle en est relativement aisée. Ce mode consiste à procéder à des ajouts en cours de culture de façon à maintenir des concentrations non limitantes de nutriments dans le milieu de culture, ce qui a généralement pour effet d'augmenter la durée des cultures et la concentration finale de produit. Par contre, cela entraîne invariablement l'accumulation de déchets métaboliques, qui constituent généralement le frein principal des cultures en mode cuvée-alimentée. Par le biais de l'ingénierie cellulaire, la production de ces métabolites néfastes peut toutefois être réduite en manipulant les voies métaboliques. Ainsi, des cellules HEK293 exprimant la pyruvate carboxylase et produisant de l'intérféron-α2β ont été utilisées dans le cadre de ce projet. L'objectif principal était de maximiser la croissance de ces cellules et le rendement des cultures en développant une stratégie cuvée-alimentée. Des cultures en flacons en mode batch ont tout d'abord permis de mettre en évidence les différences métaboliques entre la lignée parentale (293-D9) et la lignée exprimant la pyruvate carboxylase (293-F5). Tel qu'attendu, les taux de consommation du glucose et de la glutamine ainsi que le taux de production du lactate ont été réduits de façon significative dans le cas des cellules 293-F5. De plus, la concentration cellulaire maximale atteignait le double de celle observée avec les cellules parentales. Des cultures à petite échelle ont permis d'établir que l'emploi d'une solution d'alimentation commerciale (Effecientfeed, Invitrogen Life Technology), couplée à l'ajout de glutamine, s'avérait la combinaison la plus apte à maximiser la croissance cellulaire parmi les conditions testées. En appliquant une stratégie de contrôle prédictif en flacons, la concentration maximale de cellules 293-F5 a été encore augmentée à près de 10x106 cells/ml en plus de prolonger le maintien de la viabilité cellulaire. Pour les cellules 293-D9, la phase de croissance exponentielle n'a pas été prolongée et les effets ont été limités à une augmentation de la longévité de la culture. Malgré tout, la concentration finale d'interféron est demeurée plus élevée pour l'ensemble des cultures réalisées avec la lignée parentale, la productivité spécifique de ces cellules s'avérant supérieure. Par la suite, des expériences batch en bioréacteur ont permis d'obtenir une concentration cellulaire maximale 1,4 fois supérieure pour les cellules exprimant la PYC. La viabilité de la culture a été maintenue 2,5 jours de plus, ce qui s'est toutefois traduit par une augmentation modeste  (7%) de la concentration finale d'interféron. Enfin, le maintien d'un point de consigne sur la concentration de glucose en implantant une boucle de contrôle complètement automatisée a permis d'optimiser davantage la croissance et la production. Pour les cellules 293-F5, la stratégie appliquée à conduit à une concentration cellulaire maximale de 10,7 x106 cellules/ml et la quantité cumulative de biomasse (intégrale de la concentration de cellules viables) était 2 fois plus élevée que celle de la culture en mode cuvée. La concentration finale de produit a atteint 160 mg/L ce qui représente une amélioration d'un facteur 4 par rapport au mode batch pour le même clone (61 mg/L) ainsi que pour la lignée parentale (57 mg/L). Le même protocole d'alimentation appliqué aux cellules parentales a eu un effet néfaste sur la production, probablement causé par l'inhibition du lactate qui a atteint une concentration très élevée dans ce cas. Des études dans la littérature ont associé l'expression de l'enzyme PYC avec une activité accrue du cycle de Krebs. Toutefois, des taux de consommation spécifique d'oxygène similaires entre les deux lignées ont été mesurés, suggérant que l'effet de la PYC sur le métabolisme se limite surtout au niveau des réactions cytosoliques.  ABSTRACT: The market for biologics is growing fast. To meet this increasing demand, bioprocess development must allow to produce sufficient material for clinical trials or the market in a timely and cost effective manner. Most biologics are currently produced in mammalian cells because they are able to produce correctly folded and glycosylated proteins. However, animal cells exhibit low product yields due to lower cell density and productivity. The human origin of HEK293 cells makes them an advantageous production platform for recombinant protein production as they can perform proper post-traductional modifications. In industrial bioprocesses, fed-batch is widely used because it is simple, flexible and easily scalable. Foremost, by maintaining cell viability for extended periods of time and avoiding nutrient depletion, higher product titer can be achieved. Waste metabolite accumulation is the main limitation in most fed-batch cultures. In order to reduce lactate and ammonia production, metabolic engineering can be used. In this thesis, HEK293 cells stably producing interferon-α2β and further engineered to overexpress yeast pyruvate carboxylase were used.  The aim was to maximize cell growth by using fed-batch technology.  Batch shake flask cultures were conducted with both cell lines to serve as controls and also to highlight the main differences between the parental (293-D9) and PYC expressing (293-F5) clones. A marked reduction of glucose and glutamine uptake, as well as a decrease of lactate production were observed for PYC expressing cells. Maximum cell density was also increased 2-fold compared to parental cells. Of all the feeding solutions tested, the commercially available Effecientfeed (Invitrogen Life Technology) solution supplemented with glutamine led to the highest increase in cell growth and was used thereafter. A simple predictive control strategy in shake flasks increased the maximum cell density up to 10x106 cells/ml and extended culture longevity. In the case of parental cells, only minor improvements of cell growth were observed, but cell viability was maintained longer. The increase in growth did not, however, translate to a higher product titer. A bioreactor experiment carried out in batch mode led to a 1.4-fold increase in maximum cell density and the culture duration was extended by 2.5 days for PYC expressing cells compared to 293-D9.  These combined factors led to a negligible increase in product titer by 7%. Significant increases in cell growth and production concentration were achieved when glucose was maintained at a set-point by an automatic control loop for the metabolically-engineered cells. In contrast, under the same conditions, parental cells produced less recombinant protein despite a similar growth curve when compared to batch. The lower product titer was most likely caused by the high lactate concentrations observed in this case, creating unfavorable conditions for production. For 293-F5 cells, the strategy yielded 160 mg/L of interferon mainly resulting from a 2-fold increase of the integral of viable cells (IVC) when compared to the batch process. The bioreactor run was therefore able to produce 260% more recombinant protein than the initial shake flask control in batch. The metabolism of PYC expressing cells metabolism was more efficient than the one of parental cells in all culture conditions tested. However, a similar cell specific oxygen uptake rate measured for the two clones suggests that the PYC enzyme effect may be mostly limited to the cytosol.


identifier: Wang, M. (2013). Unifying Geometry and Mesh Adaptive Refinement Using Loop Subdivision  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse présente une nouvelle approche pour le raffinement de trois types de maillages : courbes, surfaces triangulaires et maillages tétraédriques tridimensionnels. Cette approche utilise des représentations par subdivisions afin de définir, modifier, analyser et visualiser des modèles géométriques de topologie arbitraire pour les applications de simulation numérique. Les représentations par subdivisions sont générées à l'aide des subdivisions de Loop. Après avoir étudié les inconvénients du manque de flexibilité dans le contrôle des niveaux de détails et du manque de précision dans les représentations de modèles géométriques utilisant les subdivisions itératives, approximatives et non-uniformes pour se rapprocher des modèles simulés, nous introduisons une nouvelle méthode de subdivision adaptative pour le raffinement de maillages.  Cette méthode de raffinement à un seul niveau a été développée afin de supporter les subdivisions adaptatives pour les trois types de maillages. Cette méthode évite le stockage par hiérarchie et les problèmes d'assemblage rencontrés durant la génération des maillages multi-résolutions par subdivisions, surtout pour les maillages tétraédriques. La mise en œuvre de subdivisions pour les maillages adaptatifs tétraédriques amène deux innovations : la configuration de forme de fractionnement des tétraèdres et l'amélioration de la paramétrisation des surfaces de subdivision. La combinaison naturelle de ces deux innovations permet la génération par subdivision de maillages multi-résolutions tétraédriques dont les surfaces frontières sont exactement sur les limites de subdivision.  Notre recherche contient cinq parties. Premièrement, nous développons un schéma de Loop pour la subdivision des solides, lequel permet d'intégrer le fractionnement topologique des arêtes avec le lissage géométrique des surfaces frontières. Deuxièmement, nous fusionnons les raffinements adaptatifs avec les techniques de subdivision, ce qui permet la subdivision adaptive complète du maillage tout en ayant les surfaces frontières projetées sur les limites de subdivision. Troisièmement, nous étudions et comparons des techniques existantes de paramétrisation des surfaces de subdivision, ce qui permet d'obtenir directement la limite de subdivision de toutes positions arbitraires sur les surfaces de subdivision de Loop. Quatrièmement, nous construisons les règles de création des sommets fixes et des arêtes vives du schéma de subdivision de Loop pour les modèles solides, ce qui permet de préserver les caractéristiques anguleuses des surfaces frontières des maillages tétraédriques. Finalement, nous utilisons un critère de qualité des maillages pour valider nos résultats et nous présentons la performance des calculs en ce qui a trait à la modélisation des solides.  ABSTRACT: In this thesis, we present a new refinement approach on three types of meshes: curves, triangular surfaces and 3D tetrahedral meshes. This approach utilizes subdivision-based representations to create, modify, analyze and visualize geometric models with arbitrary topology for numerical simulation applications. The subdivision-based representations are generated by utilizing Loop subdivisions. After studying the disadvantage of lack of flexibility in controlling LODs (Level Of Details) and accuracy in representing geometric models by using the non-uniform approximating subdivision iterations to approach simulated models, we introduce adaptive subdivisions in our refinement work.  We develop a single-level refinement method to support adaptive subdivisions on the three types of meshes. This single-level method eliminates the hierarchy storage and the stitching issues encountered during the generation of multi-resolution subdivision meshes, especially 3D tetrahedral meshes. The implementation of adaptive tetrahedral mesh subdivisions brings up two innovations: the configuration of tetrahedron split patterns and the improvement in subdivision surface parameterizations. The natural combination of these two innovations fulfills generating multi-resolution subdivision tetrahedral meshes, whose boundary surfaces lie exactly on their subdivision limits.  Our research work includes five parts. Firstly, we develop the Loop-based solid subdivision scheme, which permits integrating edge-based topological splits with geometrical smoothing on boundary surfaces. Secondly, we merge subdivision techniques with adaptive refinements with, which permits whole meshes to be adaptively subdivided and boundary meshes to be projected to their subdivision limits. Thirdly, we study and compare the existing subdivision surface parameterization techniques, which eventually permits obtaining the limit subdivision of any arbitrary position on Loop subdivision surfaces. Fourthly, we complete vertex and edge crease creation rules of the Loop-based solid subdivision scheme, which permits preserving sharp features on boundary surfaces of 3D tetrahedral meshes. Finally, we use a mesh quality evaluator to validate our results and we evaluate system performance in the context of solid modeling.


identifier: Meziani, K. (2013). Microtamisage de l'effluent d'un bioréacteur à lit mobile (MBBR)  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le procédé de traitement par bioréacteur à lit mobile ou Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), figure parmi les procédés biologiques compacts qui sont utilisés pour la réduction de la charge polluante DCO/DBO, la nitrification et la dénitrification. Le procédé de MBBR ne nécessite pas de recirculation de boues. Cependant, la clarification de l'effluent de MBBR demeure problématique, puisque la séparation conventionnelle de la biomasse s'effectue dans un décanteur secondaire par sédimentation difficilement réalisable en raison de la faible concentration des matières en suspension (150 et 200 mg MES/L). Le but de ce projet de recherche était d'évaluer l'efficacité d'enlèvement des MES par un microtamis (MT) avec et sans ajout de sel métallique et/ou de polymère pour la clarification d'un effluent de MBBR. Pour ce faire les objectifs spécifiques suivants ont été fixés :  déterminer l'effet de l'ouverture des mailles d'un microtamis sur la capture des MES et  déterminer l'effet de l'ajout de coagulant (FeCl3) et/ou de polymère cationique à haut poids moléculaire, sur la concentration des MES au tamisat (TAM). Les essais ont été réalisés sur les échantillons des eaux usées de la station d'épuration(STEP) de Terrebonne/Mascouche, et répartis en deux étapes : essais de laboratoire et essais pilotes. Les essais de laboratoire ont consisté à faire des essais de jar test et de microtamisage afin de déterminer la concentration du coagulant et du polymère ainsi que l'ouverture des mailles du microtamis à utiliser pour la coagulation-floculation et le microtamisage de l'effluent de MBBR afin d'enlever les MES. Les tailles de MT testées ont été : 20, 40, 80 et 160 μm et les paramètres analysés sur des échantillons composés ont été : TDCO, SDCO, DBO5-C, MES, MVES, TP, o-PO4 et pH. Les essais pilotes ont consisté à réaliser la coagulation-floculation (selon le dosage qui a été établi durant les essais de laboratoire) et le microtamisage avec le filtre à disques (Hydrotech) et avec les MT 40 et 80 μm (les MT ont été sélectionnés durant les essais de laboratoire) afin de déterminer leur impact sur la réduction des MES.  ABSTRACT: The Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) is a compact biological process used to remove organic matter COD / BOD, nitrify and denitrify a wastewater. The MBBR process does not require recirculation of sludge. However, clarification of the MBBR effluent remains problematic, since the conventional separation of the biomass takes place in a secondary clarifier where sedimentation is difficult due to the low concentration of total suspended solids (150 and 200 mg TSS/L). The objective of this project was to evaluate the removal efficiency of TSS by a microscreen with and without the addition of coagulant and / or polymer for the clarification of MBBR effluents. To this aim, the following objectives were set: • determine the impact of the mesh size of a microscreen on the capture of TSS, and • determine the impact of the addition of coagulant (FeCl3) and / or cationic polymer of high molecular weight on the screen underflow TSS. Tests were carried out on wastewater samples taken at the treatment plant of Terrebonne / Mascouche, and divided into two steps: laboratory and pilot testing. The laboratory tests consisted in conducting jar tests and microscreening testing to determine the concentration of coagulant and polymer, and the mesh size of microscreen to use for the coagulation-flocculation and microscreening of MBBR effluent to remove TSS. The mesh sizes of microscreen tested were: 20, 40, 80 and 160 μm and the parameters analyzed on grab samples were: TCOD, SCOD, BOD5-C, TSS, VSS, TP, o-PO4 and pH. The pilot tests were to achieve coagulation-flocculation (depending on the dosage that has been established in laboratory tests) and microscreening with the mesh size of microscreen 40 and 80 μm (which were selected from laboratory tests) to determine their impact on the reduction of TSS (analyzed on composite samples).


identifier: Proulx, C. (2013). Critères de conception d'un étang aéré recevant une charge accrue en matières particulaires biodégradables  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En 2011, sur 774 stations d'épuration des eaux usées (STEP), au Québec, près de 67% étaient de type étang aérés facultatifs. De ce nombre, plusieurs ont atteint voire même dépassé leur capacité de conception. Afin de contrer ce problème, tout en conservant les sites existants de traitement, il est possible de modifier le premier étang en augmentant sa puissance d'aération pour le rendre complètement mélangé, ou d'ajouter une unité de type réacteur biologique à lit mobile (RBLM), le plus souvent, en aval du premier étang. Ces changements entraînent des modifications au traitement et aux réactions ayant lieu dans les étangs en aval. L'étang immédiatement en aval (appelé 2e étang par la suite) serait celui principalement touché. Pour définir les critères de conception d'un étang de ce type, une étude visant à établir les critères de conception des étangs aérés facultatifs recevant une charge accrue en matières particulaires biodégradables a été menée. L'objectif principal était de proposer des critères de conception, notamment pour l'enlèvement de la DBO5-C et l'aération dans les étangs recevant une charge accrue en matières particulaires biodégradables, permettant aux concepteurs d'étangs aérés de bien concevoir les ouvrages d'assainissement. Trois sites ont été choisis pour mener cette étude. Le premier site, situé dans la Ville de L'Assomption, consiste en une station de type étangs aérés où le premier étang est complètement mélangé par une intensité accrue d'aération par rapport aux étangs aérés standards. Le deuxième, situé dans la Ville de Sainte-Julie, est une station de type étangs aérés avec un réacteur biologique à lit mobile (RBLM) installé entre les premier et deuxième étangs. Enfin, le troisième site, localisé dans la municipalité de Saint-Amable, est une station d'épuration par étangs aérés conventionnels qui a servi de témoin.  ABSTRACT: In 2011, of the 774 wastewater treatment plants (WWTP) in Quebec, about 67 % were facultative aerated lagoons. Of these, several have achieved and even exceeded their design capacity. To solve this problem, while preserving existing treatment plants, it is possible to modify the first lagoon by increasing the aeration to make it completely mixed, or to add a moving bed biofilm reactor (MBBR) unit, typically, downstream of the first lagoon. These changes lead to modifications in the treatment and in reactions taking place in lagoons downstream. The immediate downstream lagoon (called 2nd lagoon afterward) is the one most affected. To define the design criteria of 2nd lagoon, a study was undertaken to establish the design criteria of facultative aerated lagoons receiving an increased load of particulate biodegradable matter. The main objective was to propose design criteria, in particular for CBOD5 removal and aeration of a 2nd lagoon receiving a higher load of particulate biodegradable matter. This should allow designers to better retrofit existing aerated facultative lagoon. Three sites were chosen to conduct this study. The first one was in the town on L'Assomption and consists in an aerated facultative lagoon plant where the first lagoon was completely mixed due to increased aeration intensity. The second site, in the city on Sainte-Julie, was an aerated lagoon with a MBBR installed between the first and the second lagoons. The third one was a standard aerated lagoon located in the town on Saint-Amable.


identifier: Mirzaei, M. (2013). Implantable Asynchronous Epilectic Seizure Detector  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plusieurs algorithmes de détection à faible consommation ont été proposés pour le traitement de l'épilepsie focale. La gestion de l'énergie dans ces microsystèmes est une question importante qui dépend principalement de la charge et de la décharge des capacités parasites des transistors et des courants de court-circuit pendant les commutations. Dans ce mémoire, un détecteur asynchrone de crise pour le traitement de l'épilepsie focale est présenté. Ce système fait partie d'un dispositif implantable intégré pour stopper la propagation de la crise. L'objectif de ce travail est de réduire la dissipation de puissance en évitant les transitions inutiles de signaux grâce à la technique du « clock tree » ; en conséquence, les transistors ne changent pas d'état transitoire dans ce mode d'économie d'énergie (période de surveillance des EEG intracrâniens), sauf si un événement anormal est détecté. Le dispositif intégré proposé comporte un bio-amplificateur en amont (front-end) à faible bruit, un processeur de signal numérique et un détecteur. Un délai variable et quatre détecteurs de fenêtres de tensions variables en parallèles sont utilisés pour extraire de l'information sur le déclenchement des crises. La sensibilité du détecteur est améliorée en optimisant les paramètres variables en fonction des activités de foyers épileptiques de chaque patient lors du début des crises. Le détecteur de crises asynchrone proposé a été implémenté premièrement en tant que prototype sur un circuit imprimé circulaire, ensuite nous l'avons intégré sur une seule puce dans la technologie standard CMOS 0.13μm. La puce fabriquée a été validée in vitro en utilisant un total de 34 enregistrements EEG intracrâniens avec la durée moyenne de chaque enregistrement de 1 min. Parmi ces jeux de données, 15 d'entre eux correspondaient à des enregistrements de crises, tandis que les 19 autres provenaient d'enregistrements variables de patients tels que de brèves crises électriques, des mouvements du corps et des variations durant le sommeil. Le système proposé a réalisé une performance de détection précise avec une sensibilité de 100% et 100% de spécificité pour ces 34 signaux icEEG enregistrés. Le délai de détection moyen était de 13,7 s après le début de la crise, bien avant l'apparition des manifestations cliniques, et une consommation d'énergie de 9 µW a été obtenue à partir d'essais expérimentaux.  ABSTRACT: Several power efficient detection algorithms have been proposed for treatment of focal epilepsy. Power management in these microsystems is an important issue which is mainly dependent on charging and discharging of the parasitic capacitances in transistors and short-circuit currents during switching. In this thesis, an asynchronous seizure detector for treatment of the focal epilepsy is presented. This system is part of an implantable integrated device to block the seizure progression. The objective of this work is reducing the power dissipation by avoiding the unnecessary signal transition and clock tree; as a result, transistors do not change their transient state in power saving mode (icEEG monitoring period) unless an abnormal event detected. The proposed integrated device contains a low noise front-end bioamplifier, a digital signal processor and a detector. A variable time frame and four concurrent variable voltage window detectors are used to extract seizure onset information. The sensitivity of the detector is enhanced by optimizing the variable parameters based on specific electrographic seizure onset activities of each patient. The proposed asynchronous seizure detector was first implemented as a prototype on a PCB and then integrated in standard 0.13 μm CMOS process. The fabricated chip was validated offline using a total of 34 intracranial EEG recordings with the average time duration of 1 min. 15 of these datasets corresponded to seizure activities while the remaining 19 signals were related to variable patient activities such as brief electrical seizures, body movement, and sleep patterns. The proposed system achieved an accurate detection performance with 100% sensitivity and 100 % specificity for these 34 recorded icEEG signals. The average detection delay was 13.7 s after seizure onset, well before the onset of the clinical manifestations. Finally, power consumption of the chip is 9 µW obtained from experimental tests.


identifier: Mounaim, F. (2013). Neurostimulateur hautement intégré et nouvelle stratégie de stimulation pour améliorer la miction chez les paraplégiques  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une lésion de la moelle épinière est un problème dévastateur médicalement et socialement. Pour la population des États-Unis seulement, il y a près de 10 000 nouveaux cas chaque année. A cause des nombreux types de lésions possibles, divers degrés de dysfonctionnement du bas appareil urinaire peuvent en découler. Une lésion est dite complète lors d'une perte totale des fonctions sensorielles et motrices volontaires en dessous du niveau de la lésion. Une lésion incomplète implique que certaines activités sensorielles et/ou motrices soient encore présentes. Si la lésion se produit au dessus du cône médullaire, la vessie développera une hyperréflexie qui se manifeste par des contractions réflexes non-inhibées. Ces contractions peuvent être accompagnées d'une augmentation de l'activité du sphincter externe. Par conséquent, cela mène à un état d'obstruction fonctionnelle de la vessie, qui induit une forte pression intravésicale à chacune des contractions réflexes et qui peut potentiellement endommager le haut appareil urinaire. Dans ce contexte, la neurostimulation est l'une des techniques les plus prometteuses pour la réhabilitation de la vessie chez les patients ayant subi une lésion de la moelle épinière. Le seul neurostimulateur implantable commercialisé, ciblant l'amélioration de la miction et ayant obtenu des résultats satisfaisants, nécessite une rhizotomie (section de certains nerfs) afin de réduire la dyssynergie entre la vessie et le sphincter. Cependant, la rhizotomie est irréversible et peut abolir les réflexes sexuels, de défécation ainsi que les sensations sacrales si encore présents dans le cas de lésions incomplètes. Afin d'éviter la rhizotomie, nous proposons une nouvelle stratégie de stimulation multi-site appliquée aux racines sacrées, et basée sur le blocage de la conduction des nerfs à l'aide d'une stimulation à haute fréquence comme alternative à la rhizotomie. Cette approche permettrait une meilleure miction en augmentant sélectivement la contraction de la vessie et en diminuant la dyssynergie. Huit expériences en phase aigüe ont étés menées sur des chiens pour vérifier la réponse de la vessie et du sphincter urétral externe à la stratégie de stimulation proposée. Le blocage à haute-fréquence (1 kHz) combiné à la stimulation basse-fréquence (30 Hz), a augmenté la différence de pression intra-vésicale/intra-urétrale moyenne jusqu'à 53 cmH2O et a réduit la pression intra-urétrale moyenne jusqu'à hauteur de 86 % relativement au niveau de référence. Dans l'objectif de tester la stratégie de neurostimulation proposée avec des expériences animales en phase chronique, un dispositif de neurostimulation implantable est requis. Un prototype discret implémentant cette stratégie de stimulation a été réalisé en  utilisant uniquement des composants discrets disponibles commercialement. Ce prototype est capable de générer des impulsions à une fréquence aussi basse que 18 Hz tout en générant simultanément une forme d'onde alternative à une fréquence aussi haute que 8.6 kHz, et ce sur de multiples canaux. Lorsque tous les étages de stimulation et leurs différentes sorties sont activés avec des fréquences d'impulsions (2 mA, 217 μs)  et de sinusoïdes de 30 Hz et 1 kHz respectivement, la consommation de puissance totale est autour de 4.5 mA (rms). Avec 50 mW de puissance inductive disponible par exemple et 4.5 mA de consommation de courant, le régulateur haute-tension peut être réglé à 10 V permettant ainsi une stimulation de 2 mA avec une impédance nerf-électrode de 4.4 kΩ. Le nombre effectif de sorties activées et le maximum réalisable des paramètres de stimulation sont limités par l'énergie disponible fournie par le lien inductif et l'impédance des interfaces nerf-électrode. Cependant, une plus grande intégration du neurostimulateur devient de plus en plus nécessaire à des fins de miniaturisation, de réduction de consommation de puissance, et d'augmentation du nombre de canaux de stimulation. Comme première étape vers une intégration totale, nous présentons la conception d'un neurostimulateur hautement intégré et qui peut être assemblé sur un circuit imprimé de 21 mm de diamètre. Le prototype est basé sur trois circuits intégrés, dédiés et fabriqués en technologie CMOS haute-tension, ainsi qu'un FPGA miniature à faible puissance et disponible commercialement. En utilisant une approche basée sur un abaisseur de tension, où la tension induite est laissée libre jusqu'à 20 V, l'étage d'entrée de récupération de puissance inductive et de données est totalement intégré.  ABSTRACT: Spinal cord injury (SCI) is a devastating condition medically and socially. For the population of USA only, the incidence is around 10 000 new cases per year. SCI leads to different degrees of dysfunction of the lower urinary tract due to a large variety of possible lesions. With a complete lesion, there is a complete loss of sensory and motor control below the level of lesion. An incomplete lesion implies that some sensory and/or motor activity is still present. Most patients with suprasacral SCI suffer from detrusor over-activity (DO) and detrusor sphincter dyssynergia (DSD). DSD leads to high intravesical pressure, high residual urine, urinary tract infection, and deterioration of the upper urinary tract. In this context, neurostimulation is one of the most promising techniques for bladder rehabilitation in SCI patients. The only commercialized implantable neurostimulator aiming for improved micturition and having obtained satisfactory results requires rhizotomy to reduce DSD. However, rhizotomy is irreversible and may abolish sexual and defecation reflexes as well as sacral sensations, if still present in case of incomplete SCI. In order to avoid rhizotomy, we propose a new multisite stimulation strategy applied to sacral roots, and based on nerve conduction blockade using high-frequency stimulation as an alternative to rhizotomy. This approach would allow a better micturition by increasing bladder contraction selectively and decreasing dyssynergia. Eight acute dog experiments were carried out to verify the bladder and the external urethral sphincter responses to the proposed stimulation strategy. High-frequency blockade (1 kHz) combined with low-frequency stimulation (30 Hz) increased the average intravesical-intraurethral pressure difference up to 53 cmH2O and reduced the average intraurethral pressure with respect to baseline by up to 86 %. To test the proposed neurostimulation strategy during chronic animal experiments, an implantable neurostimulateur is required. A discrete prototype implementing the proposed stimulation strategy has been designed using commercially available discrete components. This prototype is capable of generating a low frequency pulse waveform as low as 18 Hz with a simultaneous high frequency alternating waveform as high as 8.6 kHz, and that over different and multiple channels.


identifier: Mirsalari, S. R. (2013). Software Engineering Taxonomy of Team Processes: A Completeness and Usefulness Validation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Objectif: Délibérer les études sur le travail d'équipe en génie logiciel (GL) et trouver un moyen de mieux comprendre la dynamique des équipes dans le domaine. Contexte: Plusieurs cadres et modèles théoriques ont été présentés dans la littérature sur le travail en équipe: des cadres généraux, des cadres spécifiques de travail et des modèles pour des fonctions spécifiques. Stratégie: Étude sur les équipes et l'équipe de travail dans la littérature du génie logiciel. Étude sur la programmation en paire (PP) comme un échantillon du travail en équipe en GL. Développement d'un processus itératif revu systématique de la littérature (iSR), utilisé comme un outil de recherche pour la collecte et la synthèse des données de la littérature. Méthodologie: Une revue systématique de la littérature sur le travail en équipe en GL et sur la programmation en paires est effectuée. Les résultats de l'examen de la littérature sont utilisés pour une validation d'une taxonomie de GL  des processus d'équipe. Résultats: La taxonomie de GL  des processus d'équipe est un outil approprié pour la présentation des observations des pratiques d'équipe dans le domaine du GL. Conclusion: Selon la méthodologie et les articles soumis, la taxonomie de GL des processus d'équipe a été validée. Les variables contextuelles des pratiques de PP ont également été identifiées et Le processus ISR a été jugée utile pour les novices. Application: La taxonomie de GL est un outil qui peut être utilisé par les chercheurs ainsi que les gestionnaires de projets logiciels pour identifier et signaler tout type d'interactions observées dans les équipes et pour améliorer les performances de la gestion des équipes.  ABSTRACT: Objective: To deliberate the studies on teamwork in Software Engineering (SE) and to find a way to better understand team dynamics in the SE domain. Background: Several theoretical frameworks and models have been presented in the teamwork literature: general frameworks, task specific frameworks and function-specific models. Strategy: Study on teams and team working in the software engineering literature. Study on pair programming as a sample practice of teamwork. Development of an iterative systematic literature review (iSR) process used as a research tool for gathering and synthesizing data from the literature. Methodology: A systematic literature review on team working in SE and on pair programming is performed. The literature review results are used for an evaluation of current team working practices (namely PP practices) and for the validation of the SE taxonomy of team processes. Results: The SE taxonomy of team processes is an appropriate tool for the report of observations in teamwork practices in the SE domain. Conclusion: According to the employed methodology and submitted articles, the software engineering taxonomy of team processes was validated. The contextual variables of PP practice were also identified. The iSR process was found to be useful for novices. Application: The SE taxonomy is a tool which can be used by researchers as well as software project managers for identifying and reporting any kind of observed teamwork interactions. Report and analysis of team activities could improve team management performance.


identifier: Bélisle, M. (2013). Influence de l'injection d'un traceur sur les courbes de restitution en écoulement naturel  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les essais de traceurs sont couramment interprétés à l'aide de modèles analytiques basés sur des hypothèses simplificatrices ou sur des modèles numériques très simplifiés. Les objectifs de ce mémoire étaient d'évaluer l'influence 1) des paramètres d'injection sur les résultats d'un essai de traceur et 2) de la complexité des modèles numériques employés sur les résultats numériques obtenus. Les paramètres d'injection testés en laboratoire et numériquement étaient le volume, la concentration et le débit de la solution injectée. Les essais de traceur ont été réalisés dans un aquifère captif artificiel (modèle réduit, sable homogénéisé) et les modèles numériques ont été développés pour reproduire les conditions rencontrées dans cet aquifère. Les résultats étaient des courbes de concentration du traceur en fonction du temps (C(t), restitution) dans le puits d'injection et les puits d'observation. Ils ont été interprétés suivant un modèle qui tient compte de la forme de la courbe de restitution pour donner le temps d'arrivée moyen et par conséquent la vitesse moyenne et la dispersivité. La moyenne globale des temps d'arrivée a permis de calculer une porosité effective moyenne de 0.35. La dispersivité moyenne observée augmente avec la distance comme suit : 4.5 mm à 46 cm, 6.7 mm à 92.5 cm et 15.1 mm à 137.5 cm. Toutefois, puisque l'aquifère est homogène, cette hausse de la dispersivité est due principalement aux distorsions des écoulements qui sont créées par les puits d'observation. Les essais de traceur ont aussi permis de constater des tendances entre les paramètres d'injection et les résultats de ces essais tel le temps moyen d'arrivée et par conséquent la vitesse de l'eau dans l'aquifère et la dispersivité. Ces tendances ont dans la majorité des cas été confirmées par des modélisations numériques 2D et 3D. Les modèles 3D ont donné des résultats numériques plus proche des tendances observées parce qu'ils ont tenus compte de la pénétration partielle des puits et de l'effet non négligeable de la gravité. L'ajout en 3D du puits d'observation a eu un effet important sur les résultats numériques à petite échelle. Par conséquent, la modélisation détaillée des puits d'observation est primordiale lors d'interprétation par modélisation numérique et si les puits sont partiellement pénétrants, il est préférable de les modéliser en 3D.  ABSTRACT: Tracer tests are usually interpreted with analytical models based on simplifying hypothesis or on very simplified numerical models. The objectives of this master thesis were to evaluate the influence of 1) injection parameters on tracer test results and 2) numerical model complexity on numerical results. Injection parameters tested in laboratory and by numerical models were the volume, the concentration and the injection rate of the injection solution. The tracer tests were conducted in an artificial confined aquifer (small-scale model, homogenised sand) and the numerical models were developed to simulate this aquifer. The results were breakthrough curves C(t) in the injection and observation wells. These were interpreted by an analytical model based on the breakthrough curve form from which the mean arrival time, the mean velocity and the dispersivity were determined. The overall average of the mean arrival time was used to evaluate a mean effective porosity of 0.35. The mean dispersivity showed a rise with distance: 4.5 mm at 46 cm, 6.7 mm at 92.5 cm and 15.1 mm at 137.5 cm. However, as this aquifer is mainly homogenous, this rise is the result of the distortion of the flow field around observation wells. The tracer tests also showed that there were tendencies between the injection parameters and the tracer test results. These tendencies were almost all confirmed by the 2D and 3D numerical models. However, the 3D numerical results were nearer of the observed tendencies because they considered the partially penetrating wells and the gravity effects. Adding or not the observation well in 3D also had a major effect on the numerical results at small scale. Therefore, a detailed numerical modeling of the observation wells is important when interpretation with numerical model is used. Furthermore, if the wells are partially penetrating, a 2D model is not enough acurate, a 3D model is requested.


identifier: Kowarzyk, G. (2013). Efficient Methods for Finding Optimal Convolutional Self-Doubly Orthogonal Codes  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours des dernières années, la hausse sans précédent du nombre d'ultrabooks et d'appareils mobiles s'est accompagnée d'un besoin toujours croissant d'accès aux technologies permettant des communications sans-fil fiables et à haut débit. Pour atténuer ou éliminer les erreurs induites par les interférences et le bruit dans les canaux de communication, il est important de développer des systèmes de codage efficaces pour la correction d'erreurs. En effet, lors de communications de données numériques sur un canal ayant un faible rapport signal sur bruit, ces codes permettent de conserver un taux d'erreur faible tout en augmentant le débit des transmissions et/ou en diminuant la puissance d'émission requise. Ceci contribue grandement à améliorer l'efficacité énergétique de ces dispositifs électroniques sans-fil et, ainsi, à prolonger leur autonomie. Dans cette thèse par articles, nous présentons un algorithme de recherche efficace pour trouver deux types de codes correcteurs d'erreur: les codes convolutionnels doublement orthogonaux (CDO) et les codes convolutionnels doublement orthogonaux simplifiés (S-CDO). En effet, ces codes sont utilisés dans un système de contrôle d'erreurs ayant un décodage à seuil itératif différent de la procédure de décodage Turbo classique, puisqu'il ne nécessite aucun entrelaceur, ni à l'encodage, ni aux étapes de décodage. Néanmoins, son processus de décodage à seuil nécessite que ces codes convolutionnels systématiques satisfassent des propriétés dites de « double orthogonalité », allant au-delà des conditions requises par les codes « simplement orthogonaux », bien connus et habituellement utilisés lors d'un décodage à seuil non-itératif. Afin de pouvoir construire des codecs à haute performance et à faible latence avec ces codes, il est important de minimiser leur longueur de contrainte ou « span » pour un nombre J de connexions donné. Bien que trouver des codes CDO et S-CDO ne soit pas difficile, déterminer les codes ayant un span minimal (dit optimal) pour un ordre J donné est mathématiquement très complexe. En effet, la construction directe de codes CDO / S-CDO à span court/optimal reste un problème ouvert et qui est soupçonné d'être NP-complet. Cette thèse présente un total de trois articles: deux articles publiés dans IEEE Transactions on Communications et un article soumis au journal IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems . Dans ces articles, nous décrivons un nouvel algorithme de recherche parallèle, efficace et implicitement-exhaustif pour trouver des codes CDO et S-CDO systématiques, à taux R=1/2 et ayant un span plus court, voire minimal, c.à.d. optimal. Comparé à l'algorithme de recherche implicitement-exhaustif de référence, l'algorithme de recherche à haute performance proposé reste exhaustif mais fournit un facteur d'accélération très important, supérieur à 16300 pour les codes CDO (J=7) et supérieur à 6300 pour les codes S-CDO (J=8).  ABSTRACT: In recent years, the rise of ultrabooks and mobile devices has been accompanied by an ever increasing need for reliable high-bandwidth wireless communications. To mitigate or eliminate the errors that are invariably introduced due to noise and interference in the communication channels, it is important to develop efficient error-correcting coding schemes. Indeed, these codes may be used to preserve the error performance while allowing the data-rate of digital communications to be increased and the transmission power at lower signal-to-noise ratios to be reduced, thereby improving the overall power efficiency of these devices. In this manuscript-based thesis, we present an efficient search algorithm for finding optimal/short-span Convolutional Self-Doubly Orthogonal (CDO) codes and Simplified Convolutional Self-Doubly Orthogonal (S-CDO) codes. These error-correcting codes are employed in an iterative error-control coding scheme that differs from the classical Turbo code procedure, as it does not require any interleaver, neither at the encoding nor at the decoding stages. However, its iterative threshold decoding procedure requires that these systematic convolutional codes satisfy some “double orthogonality properties”, beyond those of the well-known orthogonal codes used in the usual non-iterative threshold decoding. In order to build high-performance, low-latency codecs with these codes, it is important to minimize the constraint length, also called “span”, for a given number J of generator connections. Although finding CDO/S-CDO codes is not difficult, determining the optimal/short-span codes for a given order J is computationally very challenging. The direct construction of optimal or shortest-span CDO and S-CDO codes has so far eluded analysis, and the search for these codes is believed to be an NP-complete problem. The thesis presents a total of three articles: two articles that were published in IEEE Transactions on Communications  , and one article that was submitted for publication to IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems . In these articles, we describe a novel efficient and parallel implicitly-exhaustive search algorithm for finding rate R=1/2 systematic optimal/short-span CDO and S-CDO codes. The high-performance search algorithm is still exhaustive in nature, yet it provides an impressive speedup that is larger than 16300 (CDO, J=7) and 6300 (S-CDO, J=8) over the reference implicitly-exhaustive search algorithm, and larger than 2000 (CDO, J=17) over the fastest known CDO validation function used in high-performance pseudo-random search algorithms.


identifier: Papineau, I. (2013). Influence des variations de qualité d'eau brute et du vieillissement des matériaux filtrants sur la performance de la filtration granulaire  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le traitement de l'eau potable a comme principale mission de protéger la santé publique. En absence d'éclosion de maladies d'origine hydrique, il est difficile d'établir le lien entre la consommation d'eau potable et le risque d'infection de la population desservie (Teunis & Havelaar 2002). Dans ces circonstances, les modèles d'analyse quantitative du risque microbien (QMRA) permettent d'évaluer la relation entre les concentrations de microorganismes pathogènes à la source, le traitement et la distribution des eaux potables et la santé publique (Regli et al. 1991, Teunis et al. 1997). Dans une approche multi-barrières du traitement des eaux potables, la description de la performance de chacun des procédés d'une filière de traitement est considérée lors de l'évaluation de l'exposition (Medema & Ashbolt 2006). Actuellement, la plupart des usines canadiennes desservies par des eaux de surface misent sur l'opération de procédés de filtration granulaire afin d'atteindre les objectifs de traitement en matière de Cryptosporidium et Giardia imposés par la réglementation. Dans ce contexte, il est nécessaire de décrire la performance de ces procédés avec précision afin de pouvoir générer un calcul qui reflète le risque réel d'infection à ces protozoaires parasites. De plus, afin de mieux comprendre les paramètres qui contribuent aux variations de performance de procédés de filtration, il est d'intérêt de combler les lacunes en ce qui concerne l'influence des variations de qualité d'eau brute et de l'impact des caractéristiques des matériaux filtrants sur l'enlèvement de Cryptosporidium et Giardia par filtration granulaire. L'objectif général de ce projet d'études doctorales est de comprendre le rôle (i) du vieillissement des matériaux filtrants et (ii) de la nature des particules à l'eau brute sur l'enlèvement de protozoaires parasites par filtration granulaire.  ABSTRACT: The primary role of drinking water treatment is to protect public health. In the absence of waterborne outbreaks, it is difficult to assess the health risk associated with drinking water consumption (Teunis & Havelaar 2002). In such circumstances, quantitative microbial risk analysis (QMRA) models may be used to assess the relation between microbial concentrations in drinking waters and public health (Regli et al. 1991, Teunis et al. 1997). In a multi-barrier approach to drinking water treatment, process performance of each treatment step contribute to the exposure assessment (Medema & Ashbolt 2006). As most Canadian water treatment plants fed with surface water currently rely on granular filtration processes to meet Cryptosporidium and Giardia treatment requirements as specified by regulation, it is necessary to accurately describe these processes in QMRA models. This is of importance to generate risk calculation outputs that accurately estimate the actual risk of infection associated to these protozoan parasites. Moreover, to better understand the parameters that contribute to performance variations of these processes, it is of interest to fill the gaps with regards to the influence of source water quality variations and the impact of filter media surface properties may have on Cryptosporidium and Giardia removal by granular filtration. The general objective of this Ph.D. thesis is to understand the role of (i) media aging and (ii) of the particulate properties of influent water on protozoan parasite removal by granular media filters.


identifier: Mendez, A. (2013). Bladder Volume Decoding from Afferent Neural Activity  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Lorsque les fonctions de stockage et de miction de la vessie échouent à la suite de traumatismes médullaires, ou en raison d'autres maladies neurologiques, de conditions de santé ou au vieillissement, des complications graves pour la santé du patient se produisent. Actuellement, il est possible de restaurer partiellement les fonctions de la vessie chez les patients réfractaires aux médicaments à l'aide des neurostimulateurs implantables. Pour améliorer l'efficacité et la sécurité de ces neuroprothèses, il faut un capteur de la vessie capable de détecter l'urine stockée afin de mettre en place un système en boucle fermée qui applique la stimulation électrique uniquement lorsque nécessaire. Le capteur peut également servir à aviser les patients ayant des sensations affaiblies pour les aviser en temps opportun le moment où la vessie doit être vidée ou quand un volume résiduel postmictionnel anormalement élevé reste après une miction incomplète. Dans cette thèse, on présente de nouvelles méthodes de mesure, ainsi qu'un processeur de signal numérique dédié pour décoder en temps réel le volume de la vessie à partir des enregistrements neuronaux afférents provenant des récepteurs naturels présents dans la paroi de la vessie. Nos principales contributions sont rapportées dans trois articles de journaux avec comité de lecture. On présente d'abord une revue exhaustive de la littérature comprenant des articles de journaux, des brevets et les livres les plus réputés portant sur l'anatomie, la physiologie et la physiopathologie du tractus urinaire inférieur ainsi que sur la mesure du volume ou la pression de la vessie. Cette étude nous a permis d'identifier les besoins qu'un capteur de la vessie doit satisfaire pour être utilisé dans des applications chroniques telles que celles proposées dans cette thèse. On présente aussi le résultat d'une analyse exhaustive des caractéristiques anatomiques et physiologiques de la vessie que nous avons identifiées d'avoir exercé une influence, ou même d'avoir empêché, la réalisation d'un tel capteur dans des études faites au cours des dernières années. Sur la base de cette étude et de l'évaluation systématique des méthodes de mesure pour la vessie, on a conclu que le principe de mesure le mieux adapté pour la surveillance chronique du volume de la vessie était la détection, la discrimination et le décodage de l'activité neuronale afférente découlant des récepteurs spécialisés du volume (mécanorécepteurs), au sujet desquels certains auteurs ont émis l'hypothèse de leur existence dans la muqueuse interne de la vessie. Ensuite, on présente la méthode de mesure qui permet d'estimer en temps réel le volume de la vessie à partir de l'activité afférente des mécanorécepteurs. Notre méthode a été validée avec les  ABSTRACT: Failure of the storage and voiding functions of the urinary bladder due to spinal cord injury (SCI), neural diseases, health conditions, or aging, causes serious complications in a patient's health. Currently, it is possible to partially restore bladder functions in drug-refractory patients using implantable neurostimulators. Improving the efficacy and safety of these neuroprostheses used for bladder functions restoration requires a bladder sensor (BS) capable of detecting urine volume in real-time to implement a closed-loop system that applies electrical stimulation only when required. The BS can also trigger an early warning to advise patients with impaired sensations when the bladder should be voided or when an abnormally high post-voiding residual volume remains after an incomplete voiding. In this thesis, we present new measurement methods and a dedicated digital signal processor for real-time decoding of the bladder volume through afferent neural signals arising from natural receptors present in the bladder wall. The main contributions of this thesis have been reported in three peer-reviewed journal papers. We first present a comprehensive literature review, including papers, patents and mainstay books of bladder anatomy, physiology, and pathophysiology. This review allowed us to identify the requirements (user needs) that a BS must meet for chronic applications, such as those proposed in this thesis. An exhaustive analysis of the particular anatomical and physiological characteristics of the bladder, which we realized had influenced or prevented the achievement of a BS for monitoring the bladder volume or pressure in past studies, are also presented. Based on this study and on a systematic assessment of the measurement methods published in past years, we determined the best measurement principle for chronic bladder volume monitoring: the detection, discrimination and decoding of the afferent neural activity stemming from specialized volume receptors (mechanoreceptors), on which some authors had hypothesized about its existence in the bladder inner mucosa. Next, we present methods that allows for a real-time estimation of bladder volume through the afferent activity of the bladder mechanoreceptors. Our method was validated with data acquired from anesthetized rats in acute experiments. It was possible to qualitatively estimate three states of bladder fullness in 100% of trials when the recorded afferent activity exhibited a Spearman's correlation coefficient of 0.6 or better. Furthermore, we could quantitatively estimate the bladder volume, and also its pressure, using time-windows of properly chosen duration. The mean


identifier: Najarpour-Foroushani, A. (2013). Comparison of Adaptive Behaviors of an Animat in Different Markovian 2-D Environments Using XCS Classifier Systems  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le mot "Animat" fut introduit par Stewart W. Wilson en 1985 et a rapidement gagné en popularité dans la lignée des conférences SAB (Simulation of Adaptive Behavior: From Animals to Animats) qui se sont tenues entre 1991 à 2010. Comme la signification du terme "animat" a passablement évoluée au cours de ces années, il est important de préciser que nous avons choisi d'étudier l'animat tel que proposée originellement par Wilson. La recherche sur les animats est un sous-domaine du calcul évolutif, de l'apprentissage machine, du comportement adaptatif et de la vie artificielle. Le but ultime des recherches sur les animats est de construire des animaux artificiels avec des capacités sensorimotrices limitées, mais capables d'adopter un comportement adaptatif pour survivre dans un environnement imprévisible. Différents scénarios d'interaction entre un animat et un environnement donné ont été étudiés et rapportés dans la littérature. Un de ces scénario est de considérer un problème d'animat comme un problème d'apprentissage par renforcement (tel que les processus de décision markovien) et de le résoudre par l'apprentissage de systèmes de classeurs (LCS, Learning Classification Systems) possédant une certaine capacité de généralisation. L'apprentissage d'un système de classification LCS est équivalent à un système qui peut apprendre des chaînes simples de règles en interagissant avec l'environnement et en reçevant diverses récompenses. Le XCS (eXtended Classification System) introduit par Wilson en 1995 est le LCS le plus populaire actuellement. Il utilise le Q-Learning pour résoudre les problèmes d'affectation de crédit (récompense), et il sépare les variables d'adaptation de l'algorithme génétique de celles reliées au mécanisme d'attribution des récompenses. Dans notre recherche, nous avons étudié les performances de XCS, et plusieurs de ses variantes, pour gérer un animat explorant différents types d'environnements 2D à la recherche de nourriture. Les environnements 2D traditionnellement nommés WOODS1, WOODS2 et MAZE5 ont été étudiés, de même que des environnements S2DM (Square 2D Maze) que nous avons conçus pour notre étude. Les variantes de XCS sont XCSS (avec l'opérateur "Specify" qui permet de diminuer la portée de certains classificateurs), et XCSG (avec la descente du gradient en fonction des valeurs de prédiction).  ABSTRACT: The word “Animat” was introduced by Stewart W. Wilson in 1985 and became popular since the SAB line conferences “Simulation of Adaptive Behavior: from Animals to Animats” that were held between 1991 and 2010. Since the use of this word in the scientific literature has fairly evolved over the years, it is important to specify in this thesis that we have chosen to adopt the definition that was originally proposed by Wilson. The research on animat is a subfield of evolutionary computation, machine learning, adaptive behavior and artificial life. The ultimate goal of animat research is to build artificial animals with limited sensory-motor capabilities but able to behave in an adaptive way to survive in an unknown environment. Different scenarios of interaction between a given animat and a given environment have been studied and reported in the literature. One of the scenarios is to consider animat problems as a reinforcement learning problem (such as a Markov decision processes) and solve it by Learning Classifier Systems (LCS) with certain generalization ability. A Learning classifier system is equivalent to a learning system that can learn simple strings of rules by interacting with the environment and receiving diverse payoffs (rewards). The XCS (eXtented Classification System) [1], introduced by Wilson in 1995, is the most popular Learning Classifier System at the moment. It uses Q-learning to deal with the problem of credit assignment and it separates the fitness variable for genetic algorithm from those linked to credit assignment mechanisms. In our research, we have studied XCS performances and many of its variants, to manage an animat exploring different types of 2D environments in search of food.  2D environments traditionally named WOODS1, WOODS 2 and MAZE5 have been studied, as well as several designed S2DM (SQUARE 2D MAZE) environments which we have conceived for our study. The variants of XCS are XCSS (with the Specify operator which allows removing detrimental rules), and XCSG (using gradient descent according to the prediction value).


identifier: Gholamzadeh Ajez, B. (2013). Cantilever Array Platform for Quantitative Biological Analysis  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif de ce projet est de développer un réseau de microcapteurs pour collecter des données biologiques quantitatives. Ces types de données peuvent être utilisés dans divers domaines, notamment pour l'analyse cellulaire et moléculaire, la détection d'interactions biologiques spécifiques, la surveillance de maladies et la découverte de médicaments. Les capteurs proposés possèdent des réseaux de « cantilevers » qui convertissent les interactions biologiques en variations mécaniques et électriques. Ces capteurs peuvent avoir une sensibilité élevée et ont montré leurs efficacités dans diverses applications. De plus, leur utilisation permet de concevoir un système à haut débit pour la détection en temps réel de diverses paramètres. Afin de développer ces capteurs, un logiciel multiphysique (COMSOL) a été utilisé pour modéliser les « cantilevers » et plusieurs simulations électromécaniques ont été réalisées pour atteindre une conception appropriée.  Deux méthodes de lecture, piezorésistive et capacitive, ont été choisies pour être utilisées avec les capteurs. Les deux capteurs ont été fabriqués par le biais de CMC Microsystems; le processus PolyMUMPs a été employé pour la fabrication de réseaux de capteurs capacitifs, et les capteurs piézorésistifs, quant à eux, ont été développés par le processus de MetalMUMPs. Enfin, les capteurs fabriqués ont été caractérisés suivant différentes étapes incluant l'interferometrie afin d'assurer leur fonctionnalité. Sur la base des résultats de simulation et de caractérisation obtenus, ces capteurs peuvent être utilisés pour élaborer une plateforme haut débit à bas coût pour diverses applications biologiques.  ABSTRACT: The objective of the present project is to develop an array of microsensors for gathering cellular and molecular quantitative biological data. Such data can be used in various fields including cellular and molecular analysis, detection of specific biological interactions, monitoring diseases, and drug discovery. The proposed sensing platform in this project can convert biological interactions into mechanical variations and subsequently converts the mechanical variations to electrical ones. This platform offers the advantage of high sensitivity, real time measurement, high throughput sensing array suitable for fundamental studies as well as clinical applications.  We modeled the operation of cantilevers using COMSOL multiphysics software. These simulation techniques can efficiently be used to choose the suitable design and dimensions of cantilevers. Two readout methods, piezoresistive and capacitive, have been chosen to be used along with sensors. Both sensors were fabricated through CMC Microsystems; PolyMUMPs process was employed for fabrication of capacitive sensor array and piezoresistive sensors were developed by MetalMUMPs process. The functionality of cantilevers and their incorporated sensors were characterized through different techniques including interferometry.Based on these simulation and characterization results, the proposed sensors can be good candidate for developing a low cost, high throughput platform for various biological applications.