identifier: Allaoui, S. (2019). Contextualisation et conceptualisation de la planification collaborative des projets de transformation d'affaires  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les projets deviennent des plus en plus collaboratifs comme ils font intervenir plusieurs équipes pour livrer des produits et des systèmes complexes. La collaboration impose un changement aux pratiques de gestion de projets afin de mieux gérer les relations entre les parties prenantes et contribuer efficacement aux succès et performance des projets. Plus spécifiquement, la planification est identifiée dans la littérature comme une pratique centrale à la gestion de projets qui influence l'efficacité de la collaboration. Cela dit, la littérature sur la planification collaborative en gestion de projets est peu développée comparativement à d'autres domaines de recherche comme la gestion des chaines logistiques. De plus, la majorité des études sur la gestion collaborative des projets portent sur les projets d'ingénierie et construction. Comme le contexte influence la compréhension des pratiques et phénomènes observés, l'étude d'autres contextes de projets offre des opportunités pour développer les pratiques de gestion collaborative des projets, plus spécifiquement la planification collaborative. Cette thèse vise à explorer la nature et les caractéristiques de la planification collaborative dans le contexte des projets de transformation d'affaires. Cette étude a été effectuée en partenariat avec une entreprise industrielle. La méthodologie de recherche adoptée est exploratoire et en deux phases. Une recherche-action participative a permis d'étudier et comparer des cadres de transformations d'affaires existants dans la littérature, et l'élaboration d'un cadre de gestion de transformation adapté au contexte du partenaire industriel. Ensuite, une approche par étude de cas multiples a permis l'analyse des processus actuels de planification des projets de transformation d'affaires. De plus, les dimensions et exigences de la planification collaborative dans ce contexte ont été identifiés. Ces résultats sont discutés à la lumière de la littérature et les spécificités du contexte organisationnel. Cette thèse contribue au développement de la pratique de la planification collaborative en gestion de projets, et à la littérature sur la contextualisation des projets en étudiant les projets de transformation d'affaires et en proposant une adaptation à un contexte organisationnel spécifique. Les conclusions de cette recherche restent limitées aux cas étudiés et le contexte organisationnel choisi. Étendre le nombre de cas et d'organisations étudiés est une opportunité pour des recherches futures sur le sujet de la planification collaborative en gestion de projet.  ABSTRACT: Projects are becoming increasingly collaborative as they include multiple teams to deliver complex products and systems. Collaboration imposes changes to project management practices to enhance the coordination of relations between stakeholders and contribute efficiently to the success and performance of projects. Specifically, planning has been recognized as a central practice to project management which has an important influence on the efficiency of collaborative work during the project. Nevertheless, project management literature has few studies exploring the concept of collaborative planning comparatively with other research fields like supply chain management. In addition, the majority of research on collaborative project management was performed for engineering and construction projects. As contexts influence the understanding and application of concepts, the study of other project contexts offers opportunities to explore and develop collaborative project practices, more specifically collaborative planning. The objective of this thesis is to explore the nature and characteristics of collaborative planning in the context of business transformation projects. This study was conducted in partnership with an industrial organization. The research methodology applied has two phases. First, a participative action research approach allowed for an understanding of the industrial partner's organizational context. It also led to the analysis and comparison of business transformation frameworks in the literature which supported the development and adaptation of a business transformation framework specific to the industrial partner's context. Second, a multiple case study approach led to the analysis of current planning processes in the business transformation cases selected. Then, the dimensions and requirements of collaborative planning were identified. These results are discussed in light of the existing literature and specificities of the context of study. This thesis contributes to the development of collaborative planning practice in project management and to the literature on projects' contextualization by studying business transformation projects and proposing a framework adaptation to a specific organization. This research's conclusions are limited to the cases and organization selected. Extending the research approach to cover more cases and organizations represents an opportunity for future research efforts.


identifier: Moawad, E. (2019). A Stochastic Eco-Efficiency Approach to Support the Eco-Design of Additive Manufactured Components in the Aircraft Industry  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Lorsque l'on est confronté à des indicateurs de coûts et d'impacts environnementaux, prendre des décisions s'avère assez difficile, surtout lorsque l'atténuation des impacts se fait au détriment d'un coût additionnel. Malgré cela, notre monde fait face à une augmentation des gaz à effet de serre et par la suite, un changement pragmatique dans notre manière de penser et de concevoir nos systèmes est primordial. L'industrie aéronautique est responsable d'environ 2% des émissions mondiales de gaz à effet de serre et a reconnu la nécessité d'adopter une vision cycle de vie afin de réduire ses impacts sur l'environnement. Dans ce contexte-là, les partenaires industriels de ce projet ont misé leur attention sur le potentiel de l'écoconception de pièces d'avions produites par fabrication additive. Par conséquent, l'objectif général de cette recherche est d'intégrer l'analyse d'incertitude à une approche d'écoconception basée sur le concept d'éco-efficience, afin de soutenir et d'éclairer la prise de décision. La méthodologie est développée autour d'une étude de cas sur la fabrication additive de pièces d'avions comparée à une technique de fabrication conventionnelle, l'usinage. Une analyse du cycle de vie (ACV) de type distance par rapport à l'objectif par facteur de réduction est utilisée pour calculer les impacts environnementaux potentiels en termes d'émissions de dioxyde de carbone, oxydes d'azote et particules fines. Ces émissions font l'objet de l'attention du secteur aéronautique qui s'est fixé des objectifs de réduction sur des horizons de temps bien définis. L'analyse environnementale des coûts du cycle de vie est utilisée pour calculer les coûts générés tout au long du cycle de vie de l'avion en les actualisant à l'année de référence (2018). Les résultats de l'ACV et des coûts du cycle de vie sont intégrés dans un diagramme d'écoefficience afin d'identifier et de choisir les alternatives de conception les plus éco-efficientes. Étant donné qu'une décision implique toujours un certain niveau de risque, nous intégrons à cette approche une évaluation quantitative de l'incertitude basée sur une méthode probabiliste afin d'estimer le niveau de confiance donné aux résultats. Ces-derniers sont comparés en évaluant la différence statistique significative qui existe entre les scores d'ACV, de coûts et d'éco-efficience des alternatives de conception. Finalement, une analyse de sensibilité globale est réalisée afin d'identifier les paramètres d'entrée du modèle qui contribuent le plus à l'incertitude des résultats. L'étude de cas montre, à travers les résultats, que la fabrication additive est une technologie prometteuse pour le secteur de l'aéronautique puisqu'elle permet à la fois une amélioration environnementale et une réduction des coûts donc une meilleure éco-efficience comparée à l'usinage. Ces avantages sont principalement dus à l'optimisation topologique; en effet, la probabilité que cette pièce soit plus éco-efficiente que celle fabriquée de manière conventionnelle est significative. L'analyse de sensibilité globale montre que la variabilité de paramètres tels que la distance parcourue par l'avion tout au long de sa durée de vie, la consommation de carburant, le coût de production et le taux d'actualisation, contribue le plus à l'incertitude des résultats. Par conséquent, raffiner ces paramètres contribuerait à faciliter la prise de décision. L'ACV de type distance par rapport à l'objectif par facteur de réduction est pertinente pour l'industrie aéronautique, car elle soutient l'atteinte des objectifs de réduction fixés. Néanmoins, les résultats ne tiennent pas compte du profil environnemental global car la méthode est limitée aux émissions de certaines substances uniquement. Afin de veiller à la bonne opérationnalisation de l'écoconception pour la fabrication additive, la prise en compte de l'ensemble des émissions orienterait des choix plus durables. Enfin, il faudrait saisir l'écoconception comme une opportunité de guider des choix plus écoefficients, tôt dans le processus de développement de produits. La fabrication additive est une technologie en pleine évolution. Par suite, il faudrait s'assurer d'intégrer l'écoconception de façon cohérente et adaptée, afin de s'assurer que les choix, côté technique, génèrent le moins d'impacts possible tout en restant rentables. L'incertitude peut être minimisée tout au long du processus et le temps de calcul pour son évaluation est court. Cependant, les résultats de l'analyse sont liés aux choix des distributions des paramètres d'entrée. Le travail préliminaire de définition de ces distributions dépend de notre connaissance de la variabilité des paramètres. La collecte de telles données pourrait en effet limiter les efforts pour mettre en oeuvre une telle approche.  ABSTRACT: When confronted with cost and environmental indicators, making a decision is very often complicated. This is mostly true when improving the environment is at the expense of an additional cost. Nevertheless, with a world experiencing an increase of greenhouse gas (GHG) emissions, a shift in the way we operate our processes and design our systems is needed. The aircraft industry emits about 2% of the world GHG emissions and has acknowledged the need for a life-cycle perspective in order to reduce its environmental impacts, eventually ensuring a safer environment and cleaner air quality for humans. In this context, the industrial partners of this project have drawn their attention to the potential of eco-design in additively manufactured aircraft parts. Consequently, the general objective of this project is to integrate uncertainty knowledge into an eco-design approach built on the eco-efficiency (EE) concept, in order to support informed and robust decisions from a life-cycle perspective. The methodology is developed around a case study on Additive Manufacturing (AM) of aircraft parts compared to Conventional Manufacturing (CM). A distance-to-target Life-Cycle Assessment (LCA) is used to calculate the potential environmental impacts in terms of Carbon dioxide (CO2), Nitrogen Oxides (NOx) and Particulate Matter (PM) emissions. In fact, these are the emissions of interest for which the aeronautical industry has set reduction targets. In parallel to the LCA, the environmental Life-Cycle Costing (LCC) is used to calculate cash flows occurring throughout the aircraft lifetime by discounting them to the reference year (2018). LCA and LCC results are combined into an eco-efficiency diagram in order to identify and choose the most eco-efficient design alternative. Because making decisions always implies a given level of risk, a stochastic uncertainty assessment is integrated into the eco-design approach in order to evaluate the confidence given to results. The scenarios are compared under uncertainty by calculating the probability of a scenario being better than another in terms of LCA, LCC and EE scores. Finally, a global sensitivity analysis is performed in order to identify the input parameters contributing the most to the results uncertainty. The case study results show that AM is a promising technology for the aircraft sector in terms of the environmental, economic and eco-efficiency improvements it enables. These benefits are mostly achievable through topology optimization; the probability of such part being more ecoefficient than the conventionally manufactured one is found to be significant. The global sensitivity analysis shows that the variability of parameters such as the distance travelled by the aircraft throughout its lifetime, the fuel consumption, the production cost and the discount rate contribute the most to the results uncertainty. Therefore, refining these parameters would help increase the ease of decision-making. The distance-to-target LCA is a relevant approach for the aeronautical industry because it helps achieve the reduction targets set for the emissions of interest. However, the results do not account for global emissions. In order to successfully integrate eco-design for AM, accounting for the complete environmental profile of parts would guide potential improvements towards areas of protection such as ecosystems quality. Finally, implementing eco-design is a good opportunity to guide eco-efficient choices as the technology evolves, yet still needs to be integrated consistently with “Design for Additive Manufacturing” to ensure each technical choice generates the lowest possible impacts while remaining cost-efficient. Uncertainty can be minimized throughout the process and can be evaluated in a short computation time. However, the assessment results are related to the input parameters distributions used; the preliminary work of defining these distributions depends on our knowledge about input parameters variability. Thus, data collection could limit the efforts to implementing such an approach.


identifier: Bouchet, P.-Y. (2019). Optimisation de boîtes noires à précision variable  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet s'insère dans le cadre d'un domaine de mathématiques appliquées qu'on appelle optimisation. Il s'agit de l'étude de problèmes dans lesquels on souhaite maximiser ou minimiser une certaine quantité d'intérêt qu'on nommera fonction objectif, tout en respectant certaines limitations éventuelles qu'on désignera par contraintes. Dans notre cadre d'étude, la fonction objectif est une boîte noire, terme désignant une fonction dont la forme analytique est inconnue. La seule information qu'on puisse obtenir est la valeur qu'elle prend lorsqu'on l'évalue en un point, sans qu'on sache comment cette valeur a été calculée. Ainsi, il faut trouver un point minimisant la valeur renvoyée, et ce sans connaître le comportement de la fonction. Enfin, on supposera dans ce projet que les valeurs renvoyées par la fonction objectif ne sont pas exactes. L'objectif de ce travail est d'optimiser des fonction dites bruitées, et dont l'amplitude du bruit est réglable. Toute évaluation de la fonction objectif renvoie la véritable valeur de la fonction plus une erreur aléatoire. L'amplitude du bruit sera alors l'écart-type de cette erreur. Ainsi, une boîte noire à précision variable est une fonction inconnue (dont on ne peut pas prédire le comportement) qui ne peut jamais être évaluée de façon certaine, à cause d'une erreur aléatoire apparaissant à chaque évaluation, mais dont on peut limiter l'amplitude en réglant la précision du calcul. On dispose ici d'un «levier» de précision, offrant un compromis entre garantie de qualité de la valeur observée (à haute précision) au prix d'un grand temps de calcul, et incertitude entourant la valeur renvoyée (à faible précision) mais obtenue rapidement. Les recherches résumées dans ce document ont pour but de proposer une façon d'optimiser de telles fonctions, c'est-à-dire un moyen de trouver un point minimisant la valeur exacte qu'elles devraient renvoyer en l'absence d'erreur. Un tel point devrait également pouvoir être calculé de façon efficace, en un temps raisonnable et un effort de calcul faible. Pour cela, nous exploitons la précision variable pour toujours estimer la fonction objectif avec une précision au juste nécessaire : suffisamment grande pour affirmer qu'un point est meilleur qu'un autre, et assez basse pour que ces calculs soient les plus rapides possibles.  ABSTRACT: This document aims to introduce the reader to some research in a sub-topic in optimisation, a field of applied mathematics which tries to maximise or minimise a quantity named objective function. This quantity depends on some variables that can be chosen by the optimiser. Usually, one may exploits its knowledge of the structure of the function to make the optimisation as fast as possible. For example, knowing that a given variable unconditionally diminishes the objective while augmenting, one can decide to maximise that variable. One may also think about the derivatives of the function, as knowing these helps to easily find some promising directions to search on. In blackbox optimisation, the topic this work will discuss, such knowledge in intractable. When the objective is a blackbox, its behaviour cannot be recovered from observations and calculus. As this kind of function is naturally hard to minimise, finding efficient ways to perform it is the main goal of this field. In addition to these difficulties, one may face an harder blackbox problem named noisy blackbox problem. In this context, the blabkbox to optimise is noisy, which means any value it returns is possibly inaccurate. The value given to the optimiser is the real value one should expect, plus a random error. We will denote by magnitude of the noise the standard deviation of these errors. It will be assumed that the magnitude can be chosen by the optimiser, with the drawback that the lower the desired magnitude is, the higher the computation time is. Then, this document studies noisy blackboxes with adaptive precision : functions with unpredictable behaviour (blackboxes) which return inaccurate values (because the functions are noisy) but with a controllable amount of noise (as the precision is adaptive). The main goal of this research is to find an efficient way to minimise such a function. By minimising, we mean finding a set of variables which have the lowest expected returned value: assuming that the errors are void in average, we target the lowest real, non-noisy, value returned by the function. To reach that goal, the adaptive precision tradeoff have been useful. We tried to perform any calculus at the lowest precision acceptable, in order to make the computation as fast as possible, but accurate enough to ensure the optimisation determines with few risks where the interesting solutions are.


identifier: De Souza Dutra, M. D. (2019). Demand response for smart homes  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

title: Demand response for smart homes

abstract: RÉSUMÉ: Problèmes dans l'opération de la transmission d'électricité, surcharge, émission de carbone sont, entre autres, les préoccupations des gestionnaires de réseaux électriques partout dans le monde. Dans ce contexte, face au besoin de réduire les coûts d'exploitation ainsi que le besoin d'adaptation aux différentes exigences de qualité, de sécurité, de flexibilité et de durabilité, les réseaux intelligents sont considérés comme une révolution technologique dans le secteur de l'énergie électrique. Cette transformation sera nécessaire pour atteindre les objectifs environnementaux, intégrer la participation de la demande, appuyer l'adoption de véhicules électriques et hybrides ainsi que la production distribuée à basse tension. Chaque partie prenante dans le processus de gestion de l'énergie peut avoir des avantages avec le réseau intelligent, ce qui justifie son importance dans l'actualité. Dans ce travail, on se concentre plutôt sur l'utilisateur final. En plus de l'utilisateur final, nous utilisons également l'agrégateur, qui est une entité qui agrège un ensemble d'utilisateurs de sorte que l'union de leurs participations individuelles devienne plus représentative pour les décisions relatives au système d'énergie. La fonction de l'agrégateur est d'établir un engagement d'intérêts entre les utilisateurs finaux et l'entreprise de génération afin de satisfaire les deux parties. L'une des contributions principales de cette thèse est la mise au point d'une méthode qui donne à un agrégateur la possibilité de coordonner la consommation d'un ensemble d'utilisateurs, en maintenant le niveau de confort souhaité pour chacun d'entre eux et en les encourageant via des incitations monétaires à changer ses consommations, de sorte que la charge globale ait le coût minimal pour le producteur. Dans la première contribution (chapitre 4), ce travail se concentre sur le développement d'un modèle mathématique représentatif pour la planification des équipements d'un utilisateur. Le modèle intègre des modèles détaillés et fiables pour des équipements spécifiques tout en conservant une complexité telle que les solveurs commerciaux puissent résoudre le problème en quelques secondes. Notre modèle peut donner des résultats qui, comparés aux modèles les plus proches de la littérature, permettent des économies de coûts allant de 8% à 389% sur un horizon de 24 heures. Dans la deuxième contribution (chapitre 5), l'accent a été mis sur la création d'un cadre algorithimique destiné à aider un utilisateur final particulier dans son processus de décision lié à la récupération d'investissement sur l'acquisition d'appareils ou d'équipements (composants) intelligents. Pour un utilisateur spécifique, le cadre analyse différentes combinaisons de composants intelligents afin de déterminer lequel est le plus rentable et à quel moment il convient de l'installer. Ce cadre peut être utilisé pour encourager un utilisateur à adopter un concept de maison intelligente réduisant les risques liés à son investissement. La troisième contribution(chapitre 6) regroupe plusieurs maisons intelligentes. Un cadre algorithimique basé sur les programmes de réponse à la demande est proposé. Il utilise les résultats des deux contributions précédentes pour représenter plusieurs utilisateurs, et son objectif est de maximiser le bien-être social, en tenant compte de la réduction des coûts pour un producteur donné ainsi que de la satisfaction de chaque consommateur. Les résultats montrent que, du point de vue du producteur, la courbe de charge globale est aplatie sans que cela ait un impact négatif sur le confort des utilisateurs ou sur leurs coûts. Enfin, les expériences rapportées dans chaque contribution valident théoriquement l'efficacité des approches proposées.  ABSTRACT: Transmission operation issues, overload, carbon emissions are, among others, the concerns of power system operators worldwide. In this context, faced with the need to reduce operating costs and the need to adapt to the different requirements of quality, security, flexibility and sustainability, smart grids are seen as a technological revolution in the field of power system. This transformation will be necessary to achieve environmental objectives, support the adoption of electric and hybrid vehicles, improve distributed low-voltage generation and integrate demand participation. Each stakeholder in the energy management process can have advantages with the smart grid, which justifies its current importance. The focus of this thesis is rather on the end user. In addition to the end-user, this work also uses the aggregator that is an entity that aggregates a set of users such that the union of the individual participation of each user becomes more representative for power system decisions. The function of the aggregator is to establish an engagement of interests between the end users and the generator company in order to satisfy both parties. One of the main contributions of this thesis is the development of a method that gives an aggregator the possibility to coordinate the consumption of a set of users, keeping the desired comfort level for each of them and encouraging them via monetary incentives to change their consumption such that their aggregated load has the minimal cost for the generator company. In the first contribution (Chapter 4), this work focuses on developing a representative mathematical model for user appliances scheduling. The model integrates detailed and reliable models for specific appliances while keeping a complexity such that commercial solvers are able to solve the problem in seconds. Our model can give results that, compared to the closest models in the literature, provide a cost savings in the range of 8% and 389% over a scheduling horizon of 24 hours. In the second contribution (Chapter 5), the focus was given in making a framework to help a specific end-user in their decision process related to the payback for an acquisition of smart appliances or equipment (components). For a specific user, the framework analyses various combinations of smart components to discover which one is the most profitable and when it should be installed. This framework can be used to encourage users towards a smart home concept decreasing the risks about their investment. The third contribution (Chapter 6) aggregates several smart homes. A framework based on demand response programs is proposed. It uses outputs from the two previous contributions to represent multiple users, and its goal is to maximize the social welfare, considering the reduction of costs for a given generator company as well the satisfaction of every user. Results show that, from the generator company perspective, the aggregate load consumption is flattened without impacting negatively the users' comfort or their costs. Finally, the experiments reported in each contribution validate, in theory, the efficiency of the proposed approaches.


identifier: Laparra, G. (2019). Commande prédictive désynchronisée pour le contrôle d'une grande population de systèmes thermostatiques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire porte sur la modélisation et sur le contrôle d'une grande population de systèmes thermostatiques (TCLs) contrôlés individuellement par une commande prédictive. Le contrôle d'une grande population de systèmes o˙re beaucoup d'opportunités telles que le contrôle en fréquence, le suivi de charges, l'équilibrage énergétique qui peut contribuer à l'amélioration de la stabilité du réseau électrique. Les TCLs sont aussi un moyen d'absorber la production fluctuante d'énergie renouvelable générée par des éoliennes, fermes de panneaux solaires. De plus, la plupart des TCLs, comme les chau˙ages, les climatiseurs, les chau˙e-eaux, les réfrigé-rateurs, ont une consommation d'énergie flexible et élastique en termes de performances. Les TCLs sont considérés comme des éléments importants pour gérer la régulation de la charge, et plus particulièrement peuvent jouer un rôle majeur pour réduire la consommation de pointe et combler les creux de consommation. Ils sont aussi des éléments d'ajustement dans le cadre d'une tarification dynamique de l'énergie dans un réseau électrique intelligent. Le contrôle d'une grande population de systèmes thermostatiques est un problème qui est abordé depuis longtemps et qui continue d'attirer l'attention des chercheurs dans la littérature actuelle. Un des défis majeurs du contrôle d'une grande population de TCLs est la synchronisation des appareils entre eux. Un tel phénomène peut apparaître après une panne de courant, et cela implique des pics de puissance et des oscillations de puissance dans le réseau. Pour aborder ce problème, ce mémoire développe deux méthodes décentralisées qui vont hétérogénéiser individuellement le processus de prise de décision des MPC. Ces deux méthodes consistent à ajouter un délai aléatoire dans la trajectoire de référence et pénaliser aléatoirement la fonction objectif du MPC. Ces méthodes ont été validées dans le contexte du contrôle des ventilateurs de serveurs dans les centres de données. Typiquement, un centre de données est construit à des fins commerciales et abritent des centaines voire des milliers d'étagères pour stocker les serveurs informatiques, qui elles-mêmes peuvent contenir des dizaines de serveurs, ce qui représente une grande population homogène de TCLs. Un modèle thermique dynamique permet de représenter le comportement thermique à l'intérieur des serveurs, et un contrôleur MPC décentralisé permet le contrôle de la température de ceux-ci. Pour ca-ractériser la désynchronisation des TCLs contrôlés par MPC, un modèle composé d'une paire d'équations de transport semi-linéaires couplées est utilisé, en plus des simulations de Monte-Carlo. Les simulations numériques montrent que le comportement global obtenu grâce à cette paire d'équations di˙érentielles correspond aux résultats générés par les simulations de Monte-Carlo. Ceci confirme la validité de l'approche utilisée.  ABSTRACT: This thesis addresses the modeling and control of large populations of thermostatically con-trolled loads (TCLs) operated by model predictive control (MPC) schemes at the level of each TCL. Aggregates of large populations of TCLs can be managed to offer auxiliary services, such as frequency control, load following, and energy balancing, which can contribute to maintaining the overall stability of power networks. TCLs can also provide a means for absorbing the fluctuations of renewable energy generated by, e.g., wind turbines and solar photovoltaic plants. Moreover, due to the fact that most of the TCLs, including space heaters, air conditioners, hot water tanks, and refrigerators, exhibit flexibilities in power demand for their operation and elasticities in terms of performance restrictions, they are considered to be one of the most important Demand Response (DR) resources that can provide such features as power peak shaving and valley filling and enable dynamic pricing schemes in the context of the Smart Grid. Indeed, control of aggregated TCL populations is a long-time standing problem, which continues to attract much attention in the recent literature. A critical issue in the operation of a large population of TCLs is the occurrence of synchronization due to the phenomenon of cold load pickup, which may result in high power demand peaks and load oscillations. To tackle this problem, this thesis developed two fully decentralized schemes that would randomize the decision-making process of the MPC individually by each TCL, namely adding random delays in reference signal and extra penalizations on MPC objective functions. The proposed control schemes are validated in the context of the operation of fans in server enclosures in datacenters. Typically, data centers are built from general purpose commercially available o˙-the-shelf (COTS) processors. A data center may have hundreds or even thousands of server racks; each may host several tens of server enclosures, which represents a large population of homogenous TCLs. The thermal dynamics of the fans has been established, and a decentralized MPC control scheme has been designed for the control of a large population of fans. To characterize desynchronized MPC-based TCLs control schemes, a model governed by a pair of coupled semi-linear transport equations for describing the dynamic behavior of the population has been developed, in addition to Monte-Carlo simulations. Numerical simulation studies show that the aggregate behavior derived from this partial differential equation (PDE) model fits well with the results generated by the Monte-Carlo simulation. This confirmed the validity of the proposed approach.


identifier: Khanidahaj, Z. (2018). Deep Learning and Reinforcement Learning for Inventory Control  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La gestion d'inventaire est l'un des problèmes les plus importants dans la fabrication de produits. Les décisions de commande sont prises par des agents qui observent les demandes, stochastiques, ainsi que les informations locales tels que le niveau d'inventaire afin de prendre des décisions sur les prochaines valeurs de commande. Étant donné que l'inventaire sur place (la quantité disponible de stock en inventaire), les demandes non satisfaites (commandes en attente), et l'existence de commander sont coûteux, le problème d'optimisation est conçu afin de minimiser les coûts. Par conséquent, la fonction objective est de réduire le coût à long terme) dont les composantes sont des inventaires en stock, commandes en attente linéaires (pénalité), et des coûts de commandes fixes. Généralement, des algorithmes de processus de décision markovien, et de la programmation dynamique, ont été utilisés afin de résoudre le problème de contrôle d'inventaire. Ces algorithmes ont quelques désavantages. Ils sont conçus pour un environnement avec des informations disponibles, telles que la capacité de stockage ou elles imposent des limitations sur le nombre d'états. Résultat, les algorithmes du processus de décision markovien, et de la programmation dynamique sont inadéquats pour les situations mentionnées ci hauts, à cause de de la croissance exponentielle de l'espace d'état. En plus, les plus fameuses politique de getsion d'inventaire, telles que politiques standards <s,S> et <R,Q> ne fonctionne que dans les systèmes où les demandes d'entrées obtiennent une distribution statistique connues. Afin de résoudre le problème, un apprentissage par renforcement approximée est développé dans le but d'éviter les défaillances mentionnées ci hauts. Ce projet applique une technique d'apprentissage de machine nommé ‘Deep Q-learning', qui est capable d'apprendre des politiques de contrôle en utilisant directement le ‘end-to-end RL', malgré le nombre énorme d'états. Aussi, le modèle est un ‘Deep Neural Network' (DNN), formé avec une variante de ‘Q-learning', dont l'entrée et la sortie sont l'information locale d'inventaire et la fonction de valeur utilisée pour estimer les récompenses futures, respectivement. Le Deep Q-learning, qui s'appelle ‘Deep Q-Network' (DQN), est l'une des techniques pionnières ‘DRL' qui inclut une approche à base de simulation dans laquelle les approximations d'actions sont menées en utilisant un réseau DNN. Le système prend des décisions sur les valeurs de commande. Étant donnée que la fonction de coût est calculée selon l'ordre ‘O' et le niveau d'inventaire ‘IL', les valeurs desquelles sont affectées par la demande ‘D', la demande d'entrée ainsi que l'ordre et le niveau d'inventaire peuvent être considérés en tant qu'information individuelle d'inventaire. De plus, il y a un délai de mise en œuvre exprimant la latence dans l'envoi des informations et dans la réception des commandes. Le délai de mise en œuvre fournit davantage d'information locale incluant ‘IT' et ‘OO'. Le ‘IT' et ‘OO' sont calculés et suivis durant les périodes de temps différents afin d'explorer plus d'informations sur l'environnement de l'agent d'inventaire. Par ailleurs, la principale information individuelle et la demande correspondante comprennent les états d'agents. Les systèmes ‘PO' sont davantage observés dans les modèles à étapes multiples dont les agents peuvent ne pas être au courant de l'information individuelle des autres agents. Dans le but de créer une approche basée sur le ‘ML' et fournir quelques aperçus dans la manière de résoudre le type d'agent multiple ‘PO' du problème actuel de contrôle d'inventaire, un agent simple est étudié. Cet un agent examine si on peut mettre sur pied une technique ‘ML' basée sur le ‘DL' afin d'aider à trouver une décision de valeur de commande quasi optimale basée sur la demande et information individuelle sur une période à long terme. Afin de le réaliser, dans un premier temps, la différence entre la valeur de commande (action) et la demande comme résultat d'un ‘DNN' est estimée. Ensuite, la commande est mise à jour basée sur la commande à jour et la demande suivante. Enfin, le coût total (récompense cumulative) dans chaque étape de temps est mis à jour. En conséquence, résoudre le problème de valeur de commande d'agent simple suffit pour diminuer le coût total sur le long terme. Le modèle développé est validé à l'aide de différents ratios des coefficients de coût. Aussi, le rendement de la présente méthode est considéré satisfaisant en comparaison avec le ‘RRL' (RL de régression), la politique <R,Q> et le politique <s,S>. Le RL de régression n'est pas capable d'apprendre aussi bien et avec autant de précision que le ‘DQN'. En dernier lieu, des recherches supplémentaires peuvent être menées afin d'observer les réseaux de chaînes d'approvisionnement multi-agents en série partiellement observables.  ABSTRACT: Inventory control is one of the most significant problems in product manufacturing. A decision maker (agent) observes the random stochastic demands and local information of inventory such as inventory levels as its inputs to make decisions about the next ordering values as its actions. Since inventory on-hand (the available amount of stock in inventory), unmet demands (backorders), and the existence of ordering are costly, the optimization problem is designed to minimize the cost. As a result, the objective function is to reduce the long-run cost (cumulative reward) whose components are linear holding, linear backorder (penalty), and fixed ordering costs. Generally, Markov Decision Process (MDP) and Dynamic Programming (DP) algorithms have been utilized to solve the inventory control problem. These algorithms have some drawbacks. They are designed for the environment with available local information such as holding capacity or they impose limitations on the number of the states while these information and limitations are not available in some cases such as Partially Observable (PO) environments. As a result, DP or MDP algorithms are not suitable for the above-mentioned conditions due to the enormity of the state spaces. In addition, the most famous inventory management policies such as normal <s,S> and <R,Q> policies are desirable only for the systems whose input demands obtain normal distribution. To solve the problem, an approximate Reinforcement Learning (RL) is developed so as to avoid having the afore-mentioned shortcomings. This project applies a Machine Leaning (ML) technique termed Deep Q-learning, which is able to learn control policies directly using end-to-end RL, even though the number of states is enormous. Also, the model is a Deep Neural Network (DNN), trained with a variant of Q-learning, whose input and output are the local information of inventory and the value function utilized to estimate future rewards, respectively. Deep Q-learning, which is also called Deep Q-Network (DQN), is one of the types of the pioneer Deep Reinforcement Learning (DRL) techniques that includes a simulation-based approach in which the action approximations are carried out using a Deep Neural Network (DNN). To end this, the agents observe the random stochastic demands and make decisions about the ordering values. Since the cost function is calculated in terms of Order (O) and Inventory Level (IL) whose values are affected by Demand (D), input demand as well as the order and inventory level can be considered as the individual information of the inventory. Also, there is a lead-time expressing the latency on sending information or receiving orders. The lead-time provides more local information including Inventory Transit (IT) and On-Order (OO). IT and OO are calculated and tracked during different time periods so as to explore more information about the environment of the inventory agent. Furthermore, the main individual information and the corresponding demand comprise the states of the agent. PO systems are observed more in multi-stage models whose agents can be unaware of the individual information of the other agents. In order to create a ML-based approach and provide some insight into how to resolve the PO multi-agent type of the present inventory control problem, a single-agent is studied. This agent examines if one can implement a ML technique based on Deep Learning (DL) to assist to learn near-optimal ordering value decision based on demand and individual information over long-run time. To achieve this, first, the difference between the ordering value (action) and demand as the output of a DNN is approximated. Then, the order is updated after observing the next demand. Next, the main individual information of the agent called input features of a DNN is updated based on the updated order and the following demand. Lastly, the total cost (cumulative reward) in each time step is updated. Accordingly, solving the ordering value problem of single-agent suffices to diminish the total cost over long-run time. The developed model is validated using different ratios of the cost coefficients. Also, the performance of the present method is found to be satisfactory in comparison with Regression Reinforcement Learning (Regression RL), <R,Q> policy, and <s,S> policy. The regression RL is not able to learn as well and accurately as DQN. Finally, further research can be directed to solve the partial-observable multi-agent supply chain networks.


identifier: Janati Idrissi, M. (2019). Integration of Viscoplastic Effects in Nonlinear Ground Response Analysis  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les analyses non-linéaires du comportement unidimensionnel des dépôts de sol permettent d‟évaluer le potentiel d‟amplification des ondes sismiques d‟un site, et requièrent des lois de comportement qui contrôlent la réponse du sol aux chargements sismiques. Ces lois de comportement utilisent généralement les courbes de réduction du module de cisaillement et d‟amortissement comme paramètres d‟entrée, où la courbe de réduction du module de cisaillement représente la diminution de la rigidité du sol en fonction de la déformation, et la courbe d‟amortissement représente la capacité du sol à dissiper l‟énergie lors de cisaillement cyclique.  ABSTRACT: Nonlinear one-dimensional ground response analyses are used to assess the potential of ground motion amplification at a site, and require constitutive models that control the response of the soil to seismic loading. Constitutive models typically use modulus reduction and damping curves as input parameters where the modulus reduction curve represents the decrease of stiffness of the soil with shear strain, and the damping curve represents the capacity of the soil to dissipate energy uponcyclic shearing.


identifier: Gamba, M. (2019). Subtle Changes in Hyperelastic Properties of Myocardium With Cardiotoxicity Remodeling From Cardiac Magnetic Resonance  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La doxorubicine (DOX) est un puissant agent antinéoplasique fréquemment administré dans le traitement de nombreux cancers pédiatriques, notamment la leucémie lymphoblastique aiguë (LLA). La doxorubicine possède une efficacité démontrée dans le traitement du cancer, mais elle engendre également un large spectre d'effets cardiaques indésirables. Les changements structurels du myocarde s'accompagnent de modifications progressives de la géométrie de la paroi du myocarde du ventricule gauche (VG). La détérioration de la fonction myocardique peut progresser silencieusement pendant des années et se manifester sans avertissement ou même ne devenir apparente que longtemps après la fin du traitement. Des doses cumulatives plus élevées de DOX augmentent le risque d'effets nocifs associés au traitement. La faisabilité de la résonnance magnétique cardiaque (RMC) a été établie et plusieurs logiciels de modélisation géométrique 3D du coeur ont été développés pour évaluer la fraction d'éjection, l'épaisseur de la parois, et le volume télésystolique et le volume télédiastolique du VG. La modélisation par éléments finis (EF) de la mécanique du ventricule gauche et les stratégies inverses d'identification des paramètres des matériaux ont ensuite été introduites pour tenir compte du comportement mécanique passif du tissu myocardique. Compte tenu de cela, nous avons entrepris une étude visant à analyser en détail les subtils changements asymptomatiques dans la géométrie et dans la fonction du ventricule gauche chez 84 survivants de la LLA infantile traités par chimiothérapie utilisant la doxorubicine (dose faible à modérée). Étant donné le grand potentiel de la modélisation numérique du coeur, cette évaluation a été réalisée à l'aide d'une approche basée sur un modèle EF qui intègre la forme et le mouvement spécifiques de la chambre ventriculaire directement à partir des données RMC. 84 survivants de la LLA, âgés de 23 ± 7 ans, ont été recrutés prospectivement et répartis en deux groupes distincts, nommés respectivement risque standard (SR, n = 19) et risque élevé en fonction du risque de récidive. En outre, les sujets du groupe associé à un risque élevé de récidive ont été subdivisés en deux sous-groupes selon qu'ils avaient reçu (HRdex, n = 36) ou non (HR, n = 45) la thérapie cardioprotectrice (dexrazoxane) dans le but de réduire le risque de lésions cardiaques à long terme. Par ailleurs, à des fins de comparaison, 10 volontaires en santé, d'âge similaire aux survivants (22 ± 4 ans) et n'ayant jamais été atteints de leucémie aiguë ou de cardiomyopathie, ont formé un groupe témoin. Dans le cadre de l'étude de la cardiotoxicité tardive, tous les sujets ont subi une imagerie RMC, une échocardiographie transthoracique et des tests d'effort. À partir des données RMC acquises, un opérateur formé a extrait la forme et le mouvement spécifiques du ventricule gauche à l'aide d'un cadre de points de repère (CIM v8.1, University of Auckland, Nouvelle-Zélande). Les bordures intérieures et extérieures des parois du ventricule gauche ont été dessinées semi-automatiquement à partir de six points de guidage placés par l'opérateur, puis corrigés manuellement en cas d'erreurs d'alignement. À partir de ce tracé, on a calculé la fraction d'éjection, le volume de course, la masse myocardique, l'épaisseur de la paroi, le volume diastolique final et le volume systolique final pour chacun des participants de l'étude. Par la suite, la reproductibilité inter- et intra-observateurs des résultats de la segmentation a été quantifiée par des coefficients de corrélation intra-classe (ICC) sur quatre reconstructions de 15 survivants du cancer, chacune étant réalisée par quatre opérateurs formés, et sur trois reconstructions du même sujet, chacune étant effectuée par un seul opérateur. Pour un sous-ensemble de la population des survivants de la leucémie (n = 48), un modèle 3D conçu par éléments finis a été utilisé pour calculer la propriété hyperélastique (C1) à partir d'une stratégie d'identification des paramètres inverses des matériaux basés sur la géométrie du VG lors de la diastase. Au départ, nous avons supposé des valeurs physiologiquement raisonnables de 0.75, 1.0 et 1.25 kPa comme contraintes de charge de pression pour tous les participants. Une fois les pressions ventriculaires spécifiques au sujet (au repos et à l'exercice maximal) connues, nous avons incorporé ces données dans le modèle et répété l'analyse aux éléments finis. Les valeurs résultantes de C1 ont été notées et comparées entre les groupes pour chacun des cinq scénarios de charge. Les comparaisons statistiques ont été effectuées par analyse de variance à sens unique (ANOVA) sur les paramètres géométriques globaux et régionaux et par analyse de variance à mesures répétées bidirectionnelles sur les paramètres géométriques dépendants du temps. Enfin, une analyse de sensibilité a été effectuée pour évaluer la dépendance de la propriété hyperélastique de la diastase et de la pression. Dans le cas de notre étude, la reproductibilité intra-observateur était bonne pour les paramètres géométriques régionaux (ICC, 0.60-0.74) et excellente pour les paramètres géométriques globaux (ICC, 0.75-1.00), alors que la reproductibilité inter-observateur était excellente pour les deux types de paramètres (ICC, 0.75-1.00). Aucune différence significative entre les quatre groupes n'a été observée relativement à la fraction d'éjection, au débit systolique, à la masse, au volume systolique final et au volume diastolique final. Quelques différences de volume épicardique ont été observées, mais seulement entre la phase finale de la systole et la diastase (p<0.01) à l'intérieur des groupes HRdex et HV ou SR, et parmi les groupes HV et HR. Il est intéressant de noter que la propriété hyperélastique pour les pressions standard était légèrement plus faible dans le groupe HR comparativement au groupe HRdex ou SR et aussi relativement au groupe contrôle (p<0.05). En revanche, aucune différence appréciable n'a pu être détectée dans la propriété hyperélastique à des pressions intraventriculaires au repos (p>0.5) et à l'exercice maximal (p>0.6). Il ressort clairement de cette analyse que les paramètres géométriques globaux et régionaux ne sont pas suffisamment sensibles pour détecter les changements subtils induits par la cardiotoxicité tardive de la doxorubicine dans la structure et la fonction du ventricule gauche. Toutefois, les paramètres globaux dépendants du temps constituent des preuves préliminaires que l'exposition à la doxorubicin a un effet plus néfaste sur la diastole précoce que sur la systole ou la diastole tardive. La propriété hyperélastique, plus faible dans le groupe HR, suggère un tissu myocardique plus enclin à la dilatation si une pression intra-ventriculaire plus élevée est appliquée, comparativement aux autres groupes d'étude. Cette constatation concorde avec ce qui a été observé chez les survivants à long terme ayant eu la leucémie adulte et traités par chimiothérapie à forte dose à base de doxorubicine. Il convient toutefois de noter que ces estimations ne peuvent tenir compte que des effets géométriques du remodelage du myocarde sur la mécanique ventriculaire passive, puisque la pression intra-ventriculaire gauche spécifique au sujet n'était pas incluse dans ces simulations. Des résultats similaires ont été obtenus lors de l'application de pressions intra-ventriculaires mesurées au repos et pendant l'exercice maximal. En conclusion, cette étude démontre que la cardiotoxicité subclinique de la doxorubicine peut être évaluée par l'analyse du comportement mécanique du ventricule gauche sur des images RMC. Nos résultats doivent toutefois être confirmés par des analyses additionnelles avant d'en tirer une conclusion solide sur la signification pronostique, à long terme, des altérations de la raideur myocardique et de leur relation avec le statut de risque dans la cohorte de survivants étudiée ou dans une cohorte similaire. Il serait très pertinent, dans le cadre d'études ultérieures, d'inclure la simulation de la mécanique ventriculaire, avec la méthode des éléments finis, pendant la diastole précoce et la systole afin de mieux analyser les changements de rigidité dans les groupes. Dans le même but, il pourrait être utile d'augmenter la résolution temporelle des données d'imagerie chez les survivants de la leucémie et les sujets témoins. Mots-clés : survivants de la leucémie lymphoblastique aiguë, cardiotoxicité induite par la doxorubicine, imagerie par résonance magnétique cardiaque, rigidité passive du myocarde, modélisation par éléments finis personnalisée, mécanique ventriculaire gauche.  ABSTRACT: Doxorubicin (DOX) is a potent chemotherapeutic agent routinely administered in the treatment of several pediatric malignancies, including acute lymphoblastic leukemia (ALL). Despite its efficacy to improve the outlook of cancer patients, doxorubicin is known to cause a wide spectrum of cardiac adverse effects. The structural changes in the myocardium are accompanied by progressive changes in LV myocardial wall geometry. The deterioration of myocardial function can progress silently for many years before the manifestation of clinical symptoms and become apparent even long time after completion of treatment. Higher cumulative doses of this agent increase the risk for late cardiac complications. The feasibility of CMR imaging has been established and a variety of software for 3D geometric modeling of the heart have been developed to assess wall thicknesses, ejection fraction, end-systolic and end-diastolic volumes. Finite element (FE) modelling and inverse material parameter identification strategies were then introduced to take into account the passive mechanical behavior of the myocardial tissue. In light of the above, we undertook a study to assess the asymptomatic changes in LV structure and function in a group of long-term survivors of childhood ALL treated with low to moderate doses of doxorubicin therapy. Given the high potential of numerical cardiac modeling, this evaluation was conducted using a FE model-based approach that integrates the subject-specific shape and motion of the ventricular chamber directly from imaging data. Eighty-four ALL survivors (23±7 years old) were prospectively enrolled and stratified into two different groups, designated as standard-risk (SR, n=19) and high-risk groups, according to their risk of tumor recurrence. Subjects treated for high-risk ALL were further divided into two groups depending upon whether they did (HRdex, n=36) or did not (HR, n=45) receive the protective therapy (dexrazoxane) in an attempt to reduce the likelihood of late cardiotoxicity. Furthermore, for purposes of comparison, 10 healthy volunteers (HV, 22±4 years), with no prior history of cancer or cardiac pathologies and similar in age to the survivors, were used as controls. As a part of the investigation of late-onset cardiotoxicity, all subjects underwent CMR imaging, transthoracic echocardiography, and exercise stress testing. From the acquired CMR data, a trained operator extracted the subject-specific shape and motion of the LV using a guide-point framework (CIM v8.1, University of Auckland, New Zealand). The inner and outer borders of the LV walls were semi-automatically drawn from six guidepoints placed by the operator at end-systole and then manually corrected for mis-registration errors. From this tracing, ejection fraction, stroke volume, myocardial mass, wall thickness, end-diastolic and end-systolic volumes were computed for each of the study participants. After that, inter- and intraobserver repeatability of the segmentation results were quantified by intra-class coefficients (ICC) on four reconstructions of 15 leukemia survivors, each by four trained operators, and on three reconstructions of the same subject, each by a single operator. For a subset of the leukemia survivor population (n=48), a 3D finite element model was used to quantify the hyperelastic property (C1) from inverse material parameters identification strategies based on the LV geometry at diastasis. This biomechanical parameter was initially calculated by assuming physiologically realistic values of 0.75, 1.0, and 1.25 kPa as pressure loading constraints for all participants. Once the subject-specific LV pressures (at rest and peak exercise) became available, we incorporated such data in the model and repeated the FE analysis. The resulting values of C1 were reported and compared between groups for each of the five loading scenarios. Statistical comparisons were performed by one-way analysis of variance (ANOVA) on global and regional geometrical parameters, and two-way repeated-measures ANOVA on time-dependent geometrical parameters. Ultimately, a sensitivity analysis was conducted to evaluate the dependence of the hyperelastic property on the diastasis frame and the pressure load. In our experience, inter-observer repeatability was good for regional geometrical parameters (ICC, 0.60-0.74) and excellent for global geometrical parameters (ICC, 0.75-1.00), while intra-observer repeatability was excellent for both regional and global parameters (ICC, 0.75-1.00). Groups had similar LV function values. No significant differences were observed among the four study groups in ejection fraction, stroke volume, mass, end-diastolic or end-systolic volumes. Some differences were detected in epicardial volume only between end-systole and diastasis phases (p<0.01) among the HRdex and HV or SR groups, and among the HV and HR groups. Interestingly, the hyperelastic property for standard pressures was slightly lower in the HR group when compared against the HRdex or SR group, and also when compared against the control group (p<0.05). In contrast, no appreciable difference could be noted in the hyperelastic property for intra-ventricular pressures at rest (p>0.5) and peak exercise (p>0.6). From this analysis, it is clear that the global and regional geometrical parameters are not sufficiently sensitive to capture the subtle changes induced by late doxorubicin cardiotoxicity in LV structure and function. Nevertheless, the time-dependent global parameters provided preliminary evidence that early diastole was more affected by doxorubicin exposure than systole or late diastole. The smaller hyperelastic property in the high-risk group suggested a myocardial tissue more prone to dilatation if increased intra-ventricular pressure is applied than in the other study groups. This finding is consistent with what has been observed in long-term survivors of adult leukemia treated with high-dose doxorubicin-based chemotherapy. It should be noted, however, that these estimates could account only for the geometrical effects of myocardial remodeling on the passive ventricular mechanics since the subject-specific LV cavity pressure was not included in these simulations. Similar results were obtained when applying intra-ventricular pressures at rest and peak exercise. In conclusion, this study demonstrated that the subclinical cardiotoxicity of doxorubicin can be non-invasively assessed through the mechanical behavior analysis of the LV on CMR images. Additional investigations will be necessary to confirm our results and draw a firm conclusion about the long-term prognostic significance of alterations in myocardial stiffness and their relationship with ALL risk status in this or similar cohort of survivors. In future works, we hope to include the FE simulation of the left ventricular mechanics during systole and early diastole in order to better capture the changes in stiffness across groups. To the same purpose, it might be convenient to increase the temporal resolution of the image data in both leukemia survivors and control subjects. Keywords: acute lymphoblastic leukemia survivors, doxorubicin-mediated cardiotoxicity, cardiac magnetic resonance imaging, passive myocardial stiffness, personalized FE modeling, in vivo left ventricular mechanics.


identifier: Daoud, H. (2019). Analyse des performances de stockage, en mémoire et sur les périphériques d'entrée/sortie, à partir d'une trace d'exécution  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: ABSTRACT: Data storage is an essential resource for the computer industry. Storage devices must be fast and reliable to meet the growing demands of the data-driven economy. Storage technologies can be classified into two main categories: mass storage and main memory storage. Mass storage can store large amounts of data persistently. Data is saved locally on input/output devices, such as Hard Disk Drives (HDD) and Solid-State Drives (SSD), or remotely on distributed storage systems. Main memory storage temporarily holds the necessary data for running programs. Main memory is characterized by its high access speed, essential to quickly provide data to the Central Processing Unit (CPU). Operating systems use several mechanisms to manage storage devices, such as disk schedulers and memory allocators. The processing time of a storage request is affected by the interaction between several subsystems, which complicates the debugging task. Existing tools, such as benchmarking tools, provide a general idea of the overall system performance, but do not accurately identify the causes of poor performance. Dynamic analysis through execution tracing is a solution for the detailed runtime analysis of storage systems. Tracing collects precise data about the internal behavior of the system, which helps in detecting performance problems that are difficult to identify. The goal of this thesis is to provide a tool to analyze storage performance based on lowlevel trace events. The main challenges addressed by this tool are: collecting the required data using kernel and userspace tracing, limiting the overhead of tracing and the size of the generated traces, synchronizing the traces collected from different sources, providing multi-level analyses covering several aspects of storage performance, and lastly proposing abstractions allowing users to easily understand the traces. We carefully designed and inserted the instrumentation needed for the analyses. The tracepoints provide full visibility into the system and track the lifecycle of storage requests, from creation to processing. The Linux Trace Toolkit Next Generation (LTTng), a free and low-overhead tracer, is used for data collection. This tracer is characterized by its stability, and efficiency with highly parallel applications, thanks to the lock-free synchronization mechanisms used to update the content of the trace buffers. We also contributed to the creation of a patch that allows LTTng to capture the call stacks of userspace events.  ABSTRACT: Data storage is an essential resource for the computer industry. Storage devices must be fast and reliable to meet the growing demands of the data-driven economy. Storage technologies can be classified into two main categories: mass storage and main memory storage. Mass storage can store large amounts of data persistently. Data is saved locally on input/output devices, such as Hard Disk Drives (HDD) and Solid-State Drives (SSD), or remotely on distributed storage systems. Main memory storage temporarily holds the necessary data for running programs. Main memory is characterized by its high access speed, essential to quickly provide data to the Central Processing Unit (CPU). Operating systems use several mechanisms to manage storage devices, such as disk schedulers and memory allocators. The processing time of a storage request is affected by the interaction between several subsystems, which complicates the debugging task. Existing tools, such as benchmarking tools, provide a general idea of the overall system performance, but do not accurately identify the causes of poor performance. Dynamic analysis through execution tracing is a solution for the detailed runtime analysis of storage systems. Tracing collects precise data about the internal behavior of the system, which helps in detecting performance problems that are difficult to identify. The goal of this thesis is to provide a tool to analyze storage performance based on lowlevel trace events. The main challenges addressed by this tool are: collecting the required data using kernel and userspace tracing, limiting the overhead of tracing and the size of the generated traces, synchronizing the traces collected from different sources, providing multi-level analyses covering several aspects of storage performance, and lastly proposing abstractions allowing users to easily understand the traces. We carefully designed and inserted the instrumentation needed for the analyses. The tracepoints provide full visibility into the system and track the lifecycle of storage requests, from creation to processing. The Linux Trace Toolkit Next Generation (LTTng), a free and low-overhead tracer, is used for data collection. This tracer is characterized by its stability, and efficiency with highly parallel applications, thanks to the lock-free synchronization mechanisms used to update the content of the trace buffers. We also contributed to the creation of a patch that allows LTTng to capture the call stacks of userspace events.


identifier: Bergeron, F. (2019). High-Temperature Oxidation Protection of y-Based TiAl by Sputtered AlOF Films  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les aluminures de titane (TiAl) ont récemment été introduits dans la confection de lames de turbine basse-pression chez certains fournisseurs de réacteurs d'avion. Leur force et leur module d'Young spécifiques se comparent à ceux des alliages de nickel présentement utilisés en industrie, mais leur faible densité permet de réduire le poids des lames et des pièces les soutenant. Une telle réduction du poids des moteurs mène à des économies de carburant intéressantes, qui se traduisent ultimement par la réduction des coûts d'opération et des émissions polluantes. Il est cependant difficile d'utiliser le TiAl dans des étages des moteurs autres que les turbines basse-pression, où les températures sont somme toute basses, puisque qu'il s'oxyde rapidement lorsqu'exposé à des températures supérieures à 750 �C. L'objectif du projet présenté dans ce mémoire est de prévenir l'oxydation à haute température du TiAl en utilisant des revêtements pulvérisés fluorés. La présence de fluor dans les revêtements permet l'utilisation de l'effet halogène, un moyen efficace de protéger le TiAl contre l'oxydation. En effet, lorsqu'exposé aux hautes températures d'opération, il y a formation de fluorures d'aluminium sous l'interface du TiAl, suivie de leur diffusion jusqu'à la surface et de leur oxydation, ce qui crée une couche protectrice d'oxyde d'aluminium. Cet oxyde est reconnu pour son imperméabilité à l'oxygène, ce qui permet de protéger le TiAl de l'oxydation future. Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur la production de revêtements fluorées d'oxy-fluorure d'aluminium par pulvérisation magnétron réactive dans une atmosphère de CF4 et de O2. La chimie du plasma réactif est monitorée par spectrométrie de masse. La puissance de pulvérisation et l'apport en oxygène dans le plasma réactif sont variés pour comprendre leurs effets sur la composition chimique du plasma. La composition des revêtements d'AlOF est ensuite à son tour mesurée, à l'aide de la spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford. Les relations entre cette composition et celle du plasma réactif sont ainsi établies. Finalement, différents revêtements d'AlOF à la composition connue sont oxydés pour déterminer leur capacité à protéger le TiAl. Pendant ces tests d'oxydation, les échantillons sont pesés pour monitorer leur prise de masse. Des tests d'oxydation sont effectués à différentes températures, pour caractériser leur cinétique d'oxydation. Ces travaux démontrent que les revêtements d'AlOF protègent efficacement le TiAl contre l'oxydation à haute température. Les prises de masses sont faibles (sous 0.5 mg cm−2 après 50 h d'oxydation à 875 �C) et les taux d'oxydations sont amoindris par la présence d'AlOF.  ABSTRACT: Titanium aluminides are intermetallic compounds of great interest to the automotive and aerospace industries. Indeed, being low-density alloys with high strength, their specific mechanical properties like specific strength or specific elastic modulus make them suitable for applications that were until now dominated by Ni-bases alloys. The introduction of TiAl in turbine and compressor blades instead of other heavy alloys contribute to the weight reduction effort made by engine designers, to optimize the thrust-to-weight ratio of their aircraft. Large-scale implementation of TiAl in airplane engines is however limited by its severe oxidation at temperatures higher then 750 �C. The goal of the present work is to protect TiAl against such oxidation through the combined use of sputtered thin films and the halogen effect. The halogen effect requires that a halogen, in this case, fluorine, is applied to the surface of TiAl to promote the formation of gaseous aluminum fluorides. These fluorides migrate to the surface of the TiAl during high-temperature oxidation, where they are oxidized into aluminum oxide, a dense, protective and durable oxidation barrier. The detrimental oxidation of the TiAl is then blocked. This works reports on the deposition of aluminum oxy-fluoride coatings by reactive magnetron sputtering. The sputtering process is monitored by mass spectrometry, to gain insight into the gas phase chemistry of the reactive plasma. The chemical composition of the sputtered coatings is then measured by Rutherford backscattering spectrometry, and a relationship between the composition of the coatings and the composition of the plasma is established. Finally, AlOF coatings of different compositions are oxidized, to determine which coating composition offers the best oxidation protection. Mass gains are measured throughout the isothermal oxidation tests, which were performed at different temperatures to study the oxidation kinetics of the AlOF coatings. Samples' surface and cross sections were observed before and after oxidation by scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy. t was found that the coatings efficiently protect the TiAl against high-temperature oxidation. The mass gains of coated samples are significantly reduced in comparison to those of unprotected TiAl. The oxidation kinetics are slowed while the oxidation activation energy is increased. An alumina scale is growing on protected TiAl.


identifier: Sterba, M. (2019). Étude biomécanique des pathomécanismes du rachis lombaire en conditions traumatiques et sportives : influence des propriétés ligamentaires  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le rachis est une structure ostéo-disco-ligamentaire complexe jouant un rôle majeur dans la stabilité et la mobilité du corps humain. Dans certaines conditions, des blessures traumatiques ou de fatigue peuvent survenir. Ces blessures peuvent être bénignes, à l'origine de douleurs, invalidantes ou encore mortelles. Les blessures rachidiennes traumatiques incluent des fractures osseuses, des lésions ligamentaires et du disque intervertébral ainsi que des atteintes de la moelle épinière et des racines nerveuses. Les causes principales sont les accidents de véhicules, les chutes à faible ou haute énergie et la pratique sportive. Chaque année, plus de 700 000 nouveaux traumas rachidiens sont comptabilisés au niveau mondial. Les blessures de fatigue, résultant d'une sur-sollicitation des structures vertébrales, sont fréquentes dans le domaine sportif. La spondylolyse est la blessure la plus commune parmi les blessures de fatigue dues au sport, notamment chez les adolescents. Dans ce cas, le rôle des chargements dynamiques, liés à la pratique sportive, est supposé prédominant dans l'étiologie de la blessure. Qu'ils s'agissent de blessures traumatiques ou de fatigue, des facteurs extrinsèques (type, direction et vitesse de chargement) et intrinsèques (morphologie, propriétés mécaniques et biologiques des structures vertébrales, ainsi que la posture) peuvent expliquer l'étiopathogénèse, les mécanismes, les patrons de blessures et les risques de progression. Les facteurs extrinsèques définissent les conditions extérieures; leur étude permet donc de définir les conditions à risque, à éviter et/ou limiter. Les facteurs intrinsèques, propres au sujet, sont conditionnés par de nombreux facteurs biologiques et environnementaux (l'âge, le sexe, l'ethnie); leur étude permet de tenir compte de la variabilité humaine pour vérifier la généralisation des conditions à risque ou, à l'inverse, spécifier les recommandations pour une population donnée, voire un individu. Les études portant sur les risques de blessures du rachis lombaire se sont majoritairement intéressées à des mécanismes en compression et à des sollicitations quasi-statiques, laissant des lacunes dans la compréhension des pathomécanismes du rachis lombaire en conditions traumatiques et sportives. Particulièrement, à l'instar des ligaments cervicaux, peu de travaux ont étudié le comportement des ligaments lombaires en condition dynamique. Cela limite les connaissances des mécanismes de rupture ligamentaire et l'exploitation des modèles pour l'étude des lésions traumatiques. De plus, les conditions traumatiques générant une flexion du rachis lombaire sont peu étudiées. Ces conditions sollicitent les éléments postérieurs du rachis et peuvent, en cas de déplacement et/ou rupture du complexe ligamentaire postérieur et de dislocation, avoir des conséquences cliniques critiques. Le manque de critères lésionnels du rachis lombaire soumis à des chargements complexes limite le développement et l'évaluation de dispositifs ou mesures de sécurité et la compréhension des mécanismes lésionnels. Enfin, l'identification des pathomécanismes de la spondylolyse est incomplète car les études réalisées ne prennent pas en compte la morphologie et la posture des patients et étudient des mouvements quasi-statiques isolés et de faible amplitude. Pour pallier ces limites, l'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des mécanismes de blessures du rachis lombaire dans des conditions traumatiques et sportives en tenant compte des facteurs intrinsèques (posture, propriétés mécaniques des ligaments) et extrinsèques (conditions de chargement). Dans cette thèse, les trois hypothèses de recherche suivantes ont été testées : H1 : Le taux de chargement et la présence de dégénérescence rachidienne influencent le comportement mécanique (raideur) et les mécanismes à la base des lésions des ligaments (déplacement et force à la rupture, profil de rupture) du rachis lombaire et thoracique. H2 : La variabilité (inter et intra-individu) des propriétés mécaniques des ligaments influence la mobilité (ROM) et la vulnérabilité (contraintes internes) du rachis en conditions traumatiques et sportives. H3 : Les facteurs liés à la mise en charge du rachis (direction, amplitude) et la posture du patient influencent le risque de spondylolyse (distribution de contraintes dans le pars) chez les adolescents sportifs. Pour tester ces hypothèses, la thèse comprend un volet expérimental et un volet numérique. Le volet expérimental décrit la caractérisation des ligaments du rachis thoracique et lombaire humain en traction uni-axiale. Le volet numérique porte sur l'analyse par éléments finis des pathomécanismes du rachis lombaire. Pour cela, le modèle SM2S, Spine Model for Safety and Surgery, développé conjointement par le laboratoire de Biomécanique Appliquée (Université Aix-Marseille et IFSTTAR), Polytechnique Montréal et l'École de technologie supérieure a été exploité. Ce modèle détaillé, tant au niveau de la géométrie que des propriétés mécaniques, permet l'étude des lésions du rachis en condition dynamique. Pour tester la première hypothèse, 45 ligaments rachidiens (14 ligaments longitudinaux antérieurs, ALL ; 20 ligaments longitudinaux postérieurs, PLL ; 9 ligaments jaunes, LF ; et 2 complexes comprenant le ligament inter-épineux et supra-épineux, ISL-SSL) ont été prélevés avec les extrémités osseuses formant l'enthèse sur six sujets (4 hommes et 2 femmes, [76-96] ans) au Laboratoire de biomécanique appliquée de l'Université Aix-Marseille. Avant les essais, les échantillons ont été scannés à l'aide d'un CT-scan (Somatom Sensation Cardiac 64, Siemens) pour mesurer la longueur initiale des ligaments et évaluer la présence de becs ostéophytiques et les extrémités osseuses ont été mises en résine. Un protocole d'essai, comprenant une phase de pré-conditionement, deux cycles de traction uni-axiale en dynamique lente (0.005 m/s) jusqu'à 15% de déformation et une traction uni-axiale en dynamique rapide (1 m/s ou 0.5 m/s) jusqu'à la rupture, a été réalisé à l'aide d'un vérin hydraulique commandé en déplacement. 45 courbes force-déplacement ont été obtenues pour les cycles de traction en dynamique lente et 17 pour les tractions en dynamique rapide. Les raideurs des ligaments ALL, PLL et LF mesurées lors des tractions en dynamique rapide étaient respectivement 1.9, 5.7 et 4.4 fois plus élevées que lors des tractions en dynamique lente. Pour un même sujet, l'échantillon présentant un ostéophyte de grade 4 (pont ossifiant joignant les deux vertèbres) avait une raideur respectivement 3.9 fois et 6.3 fois plus élevée en condition dynamique lente et rapide par rapport à l'échantillon présentant un ostéophyte de grade 2 (protrusion vertébrale projetée verticalement). Ces échantillons présentaient le même mécanisme de rupture (délamination + avulsion osseuse). La force à la rupture et la déformation à la rupture mesurées pour l'échantillon de grade 4 étaient respectivement 1.6 et 5 fois moins élevées par rapport à l'échantillon présentant un ostéophyte de grade 2. Ces résultats confirment l'augmentation de la raideur des ligaments du rachis thoracique et lombaire en condition dynamique rapide et suggère une diminution des propriétés à la rupture en présence de becs ostéophytiques lorsque le grade de dégénérescence augmente. En conditions traumatiques, l'exploitation du modèle SM2S a permis de mettre en évidence l'effet de la vitesse d'impact, pouvant survenir lors d'un choc frontal, sur les mécanismes de blessures et sur le patron de blessure en résultant. Trois vitesses d'impact (i.e. 2.7, 5 et 10 m/s) ont été simulées sur un segment L1-L3 du modèle SM2S afin de représenter des conditions traumatiques générant une combinaison d'effort en cisaillement et de moment de flexion. Pour chaque vitesse d'impact, 27 jeux de propriétés ligamentaires ont été testés. Pour les vitesses d'impact les plus faibles, l'initiation de la blessure se produisaient en compression dans la partie antérieure du corps vertébral. A l'inverse, l'impact à haute vitesse causait une blessure en distraction pure avec des efforts en compression faible. Dans ce cas, l'étendue de rupture dans le corps vertébral était moindre (718 mm³) mais le déplacement antérieur de la vertèbre L2 (7.72 mm) et la fréquence de fracture des facettes (16/27) étaient plus élevés que pour la vitesse la plus faible (1140 mm³, 2.09 mm et 2/27 respectivement). Les propriétés des ligaments n'impactaient pas l'initiation de la blessure mais une augmentation de la rigidité du rachis était associée à une augmentation du risque de fractures des facettes. Pour des chargements dynamiques combinés, l'analyse par éléments finis nous a permis de mettre en évidence la dangerosité des mouvements de flexion associés à des efforts en compression. En particulier, les efforts en compression dynamique étaient le facteur le plus important sur les contraintes et efforts internes. L'ajout d'une compression dynamique augmentait de 8.5, 12.4, 1.6 et 13.2 les forces en cisaillement dans le disque L5-S1, les forces de contact au facettes L5-S1, la contrainte maximale dans le pars et le volume d'os dans le pars présentant un niveau de contrainte supérieur à 75% de la contrainte à la rupture. De plus, les résultats ont montré une influence des paramètres sacro-pelviens sur le niveau de contraintes dans le pars. La contrainte maximale et le volume d'os dans le pars présentant un niveau de contrainte supérieur à 75% de la contrainte à la rupture étaient respectivement 17% et 2.5 fois plus élevés pour le cas ayant la pente sacrée la plus élevée (59°) comparativement au cas présentant une pente sacrée de 32°. Cela suggère une augmentation du risque de spondylolyse pour les patients présentant une pente sacrée élevée pour une même activité et corrobore les observations cliniques. Ce projet doctoral a mis en évidence l'influence des propriétés mécaniques des ligaments et des paramètres liés à la posture sur les seuils et les patrons de blessures du rachis lombaire. Les résultats expérimentaux confirment une augmentation de la raideur des ligaments du rachis thoracique et lombaire pour des taux de chargement élevé. De plus, le déplacement et la force à la rupture en traction tendent à diminuer avec le grade de dégénérescence. Ces résultats constituent, en outre, une base pour le développement et la vérification de modèles spécifiques représentant une population âgée pour l'étude des traumatismes rachidiens. Pour cela, des résultats supplémentaires en traction uni-axiale ainsi que des essais complémentaires en mobilité seraient nécessaires. En condition traumatique, le modèle permet de prédire le patron de rupture, notamment la rupture du complexe ligamentaire postérieur et, est en ce sens, un outil de prévention et d'aide au diagnostic utile pour les traumas rachidiens. La vitesse d'impact modifie le profil de rupture observée et l'augmentation de la raideur des ligaments augmente le risque de fracture des facettes. Pour faire suite à ce projet, différentes conditions de chargement pourraient être testées pour trois modèles présentant des flexibilités différentes. Pour l'étude de la spondylolyse, les mouvements combinés de flexion et de compression dynamiques provoquent des contraintes élevés dans le pars. De plus, la posture du patient modifie les efforts en cisaillement à la jonction lombo-sacrée et doit être prise en compte dans l'évaluation de la dangerosité des mouvements. L'étude de chargements personnalisés et spécifiques à certains sports permettrait de guider les recommandations de sécurité spécifiques à ces sports.  ABSTRACT: The spine is an osteo-disco-ligamentous structure playing a major role in the human body's stability and mobility. In some conditions, traumatic or stress injuries may happen. These injuries may be benign, painful, disabling, or even deadly. Traumatic injuries include bone fractures, ligamentous or intervertebral disc injuries, and/or damage to neurologic structures (spinal cord and nerve roots). These injuries mainly result from low-energy falls or high-energy trauma, particularly traffic (26.5%) or sports accidents (5.2%), and high-energy falls (39%). Each year, more than 700,000 new traumatic injuries are diagnosed worldwide. Stress injuries result from overuse of spinal structures because of repetitive movements and sport practice is a common cause. The spondylolysis is the most common stress injuries due to sport activities, particularly in adolescents. The spinal dynamic loadings experienced when practicing sports are thought to be a predominant factor in the etiology of this injury. Extrinsic and intrinsic factors play a role in the etiology, pathomechanisms, injury pattern and risk of progression of traumatic and stress injuries. Extrinsic factors (type, direction and speed of loading) are relative to loading conditions and must be tested to define movements to avoid or to limit to prevent the risks of spinal injuries. Intrinsic factors (morphology, mechanical and biological properties of spinal components as well as the posture) are subject-dependent. These factors represent the human variability and are evaluated to define generalized preventive guidelines or, on the contrary, to establish safety guidelines for specific population or even specific individuals. Research on the lumbar injuries risk has mainly focused on compressive mechanisms and quasi-static loading conditions. This limits the understanding of the lumbar pathomechanisms in traumatic and sport-related conditions where the spine is submitted to complex dynamic loads. Particularly, conversely to cervical ligament, few studies described the mechanical behavior of the lumbar ligaments in dynamic conditions, limiting the understanding of ligamentous failure and the use of numerical models to study spinal lesions in this region. Moreover, traumatic conditions generating a flexion of the lumbar spine are poorly described and studied. These conditions mainly affect the posterior elements of the spine (articular facets and posterior ligamentous complex) and may lead to critical clinical outcomes in case of posterior ligamentous complex injuries and dislocation. In this context, more studies on the lumbar spine submitted to complex dynamic loading conditions are needed to improve the understanding of the lumbar injury mechanisms and the development and evaluation of safety guidelines and devices. In order to address these limitations, the objective of this thesis was to improve the understanding of the lumbar injury mechanisms in traumatic and sport-related conditions taking into account intrinsic (posture, ligament mechanical properties) and extrinsic factors (loading conditions). In this project, the three following research hypotheses were tested: H1: The strain rate and the presence of spinal degenerative process modify the mechanical behavior (stiffness) and the injury mechanisms (failure force and displacement, and injury pattern) of the thoracic and lumbar ligaments. H2: The ligament mechanical properties variability (inter and intra subject) modify the range of motion (ROM) and the vulnerability (internal stress, failure thresholds, failure pattern) of the spine in traumatic and sport-relative loading conditions H3: Extrinsic factors (loading direction and level) and patient posture affect the risk of spondylolysis (stress distribution in the pars) in adolescent athletes. To test these hypotheses, experiments on cadaveric ligaments and numerical simulations on a detailed finite element model of the spine were performed. The experimental part deals with the lumbar and thoracic ligament characterization under uni-axial dynamic tensile tests. The numerical part was performed to assess the pathomechanisms of the lumbar spine in traumatic and sport-related conditions. In this section, the SM2S model, Spine Model for Safety and Surgery, jointly developed by the Laboratoire de biomécanique appliquée of IFSTTAR/Aix-Marseille University, Polytechnique Montréal and École de technologie supérieure was used. This finite element model includes a detailed geometric and material behavior description of the spinal component and was developed to study spinal injuries in dynamic conditions. To test the first research hypothesis, 45 spinal ligaments (14 anterior longitudinal ligaments, ALL ; 20 posterior longitudinal ligaments, PLL, 9 ligamentum flavum, LF ; 2 interspinous and supraspinous ligamentous complex, ISL-SSL) with bony extremities that formed the entheses were harvested from 6 cadaveric subjects (4 men, 2 women, [76-96] years) at the Laboratoire de biomécanique appliquée of IFSTTAR/Aix-Marseille University. Before testing, samples were scanned with a CT-scanner (Somatom Sensation Cardiac 64, Siemens) to measure the initial length of ligaments (distance between superior and inferior entheses) and to evaluate the presence of osteophytes. After imaging, the bony ends were put into resin to provide a mean of fixation. A test protocol was performed with a servo-hydraulic test system. The protocol included a preconditioning, 2 cycles of uni-axial tensile test at a slow dynamic displacement rate (0.005 m/s) until 15% of strain and one uni-axial tensile test at a high dynamic displacement rate (0.5 – 1 m/s) up to failure. Forty-five force-displacement curves were obtained for uni-axial tensile tests at the slow dynamic displacement rate and 17 for tensile tests at the high dynamic displacement rate. Stiffness of ALL, PLL and LF were 1.9, 5.7 and 4.4 times higher at the high dynamic displacement rate compared to the slow dynamic one. For the same subject, ALL specimen with a grade 4 osteophyte (i.e. adjacent vertebrae were fused together by a bony bridge) had a stiffness 3.9 and 6.3 times higher at high and slow dynamic displacement rate respectively compared to ALL specimen with a grade 2 osteophyte (bony protrusion visible at the margins of the endplates). The pattern of failure was a combination of delamination and bony avulsion for both of these specimens. The force and displacement at failure measured for the specimen with a grade 4 osteophyte were 1.6 and 5 times lower respectively compared to the ones measured for the specimen with a grade 2 osteophyte. These results confirm the increase of the stiffness of the thoracic and lumbar ligaments with an increase of the strain rate and suggest a decrease of the failure properties for an increasing degenerated state under uni-axial tensile test. Under dynamic conditions, the numerical simulations highlighted the effect of the impact velocity, which may happen during frontal impacts, on the injury mechanisms and pattern. A L1-L3 segment was subjected to three different impact velocities (i.e. 2.7, 5, 10 m/s) to evaluate the lumbar behavior under complex loading conditions combining flexion and shear. For each impact velocity, 27 sets of ligament properties were implemented and tested. For low and medium impact velocities, initial osseous injury happened under compressive forces in the anterior column whereas high dynamic impact caused a pure distraction injury with very low compressive stresses in the segment. Less volume of ruptured bone, higher anterior displacement and higher occurrence of facet fracture were observed for high impact velocity (718 mm³, 7.72 mm and 16/27) compared to the ones measured for the lowest impact velocities (1140 mm³, 2.09 mm and 2/27 respectively). The ligament properties did not influence the injury initiation location but an increase of the spine stiffness was associated with a higher occurrence of facet fracture. The finite element analysis highlighted the high level of stress in the pars for dynamic flexion combined with compression. For all movements (flexion, extension with or without inflexion and rotation), additional dynamic compressive forces led to 8.5, 12.4, 1.6 and 13.2 times higher shear forces in the L5-S1 intervertebral disc, L5-S1 facet contact force, maximal stress in the pars and volume of stressed bone (>75% of the failure stress). Moreover, sacro-pelvic parameters influenced the level of stress in the pars. The maximal stress and the volume of stressed bone were 17% and 2.5 times higher for the case with the higher SS (59°) compared to the case with the lowest one (32°). These results suggest an increase of the risk of spondylolysis for patient presenting a high sacral slope and pelvic incidence and corroborate clinical observations. This project highlighted the influence of the ligament mechanical properties and postural parameters on the lumbar injury threshold, mechanisms and patterns. The experimental results confirm the increase of stiffness for thoracic and lumbar ligaments at high displacement rates, as it was previously shown for cervical ligaments. Moreover, force and displacement at failure tend to decrease with the increasing grade of osteophytes. These results may be used for the development and verification of a specific model for aging population to study spinal trauma. For this purpose, additional results under uni-axial tensile test and complementary results under mobility tests would be needed. In traumatic conditions, the model predicted the bone fracture and the failure of the posterior ligamentous complex. These predictions were valuable to help injury prevention and clinical management. The impact velocities modified the injury initiation and pattern and the increase of the spinal stiffness led to higher occurrence of facet fracture. Further finite element analyses may be done to test different loading scenarios for three models according to the global spine stiffness. Combined movements of flexion and dynamic compression led to high stresses in the pars. Moreover, the patient-specific posture modifies the shear at the L5-S1 junction and the stresses in the pars and has to be considered in the evaluation of the risk of spondylolysis. Further finite element studies considering specific and personalized loading may be performed to enforce safety guidelines for particular sports.