identifier: Khaksar Toroghi, M. (2012). Process Monitoring and Control of Microalgae Cultivation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les bioprocédés jouent un rôle important dans la production de substances à haute valeur ajoutée. L'une des cultures les plus intéressantes parmi les biocultures sont les microalgues. Il s'agit d'organismes microscopiques vivant en milieu aquatique et dont la biomasse est une excellente source d'acide gras et de vitamines. De plus, la culture de microalgues pourrait être utilisée à grande échelle pour produire de l'énergie. Dans ce contexte, l'un des modèles les plus simples pour décrire son comportement dynamique est le modèle de Droop. Ce modèle largement utilisé a été choisi pour cette étude.  L'estimation d'état est un domaine de l'ingénierie basé sur l'extraction des informations sur les variables inconnues à partir des informations connues. En génie biochimique, il est nécessaire de connaître les variables qui caractérisent l'état interne du procédé dans le but de produire de grandes quantités des substances d'intérêt. Cependant, l'un des problèmes les plus importants dans la conception de l'estimateur est de pouvoir garantir la convergence de l'erreur d'estimation. C'est pourquoi, en se basant sur les propriétés du modèle de Droop, un observateur de Lipschitz est proposé pour estimer les variables d'état à partir de la mesure. Par ailleurs, l'estimation des paramètres à l'aide de l'observateur est discutée en vue d'estimer certains des paramètres du modèle de Droop. Afin d'évaluer les performances de l'observateur dans le contexte de la commande avancée, le contrôle de la concentration de biomasse et de substrat sont introduits. Deux techniques de contrôle sont considérées en couplage avec l'observateur : le contrôle « backstepping » et le contrôle par linéarisation entrée/sortie. Le suivi de la consigne et le rejet de perturbation sont également étudiés pour ces stratégies.  Pour terminer, une extension du modèle de Droop est étudiée pour la production de substances lipidiques. Une structure d'estimation de l'ensemble des variables d'état est ainsi démontrée.  ABSTRACT: Bioprocesses play an important role to produce high-value products. One of the most interesting cultures among the biocultures is microalgae. It is a microscopic  organism existing in aquatic environment. The biomass  from this culture is a great source of fatty acids and vitamins. Large scale microalgae culture can be used to produce energy. One of the simplest models to describe the dynamic behaviour of the culture is the Droop model. This widely used model has been chosen for this study. State estimation is a field of control engineering that extracts information about unknown variables based on known information. In bioprocess engineering, in order to produce high amounts of valued product, it is necessary to know about internal state variables of the process. One of the most important problems in designing the estimator is to guarantee the stability of the error dynamics. Based on the properties of the Droop model, a Lipschitz observer is proposed to estimate  the state variables from measurement. Moreover, the parameter estimation using the Lipschitz observer  is discussed in order to estimate some of the parameters of the Droop model. In order to see the observer performance with advanced controller, the biomass and the substrate concentration control are introduced. Two observer- based controllers, input-output linearization and backstepping technique, are considered. The setpoint tracking and the load rejection problem are studied for both strategies. Finally, a lipid production model as an extension of the Droop model is introduced. The observability property of the model is explained. At the end, a structure for  the estimation of all state variables using measurement is demonstrated.


identifier: Archambault, S. (2012). Hydrodynamique et procédé de formation d'hydrates de CO2  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La capture du dioxyde de carbone (CO2) par l'entremise d'hydrate de gaz est une technologie envisageable pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre à l'atmosphère. Les hydrates de CO2 se forment à des conditions de faible température et sous forte pression. Des recherches expérimentales ont été menées sur l'influence de l'hydrodynamique sur deux différents stades de formation des hydrates, soit le temps d'induction et la phase de croissance des hydrates. Une première vague d'expérimentation a été effectuée sur un rhéomètre, et la deuxième vague sur une cuve agitée de plus grand volume. Les objectifs de la démarche expérimentale sont de caractériser l'effet de l'hydrodynamique sur le temps d'induction et d'en optimiser les paramètres, et aussi de déterminer l'effet de l'hydrodynamique sur le taux de formation des hydrates. Ce dernier objectif est analysé seulement pour la cuve agitée. La caractérisation de l'hydrodynamique sur le rhéomètre se fait par l'entremise du taux de cisaillement. Il a été possible de constater, avec une solution concentrée à 3% mol en THF, que le temps d'induction est minimisé à plus fort cisaillement. L'analyse de variance confirme que ces résultats sont significatifs. Le même constat est observé avec une solution concentrée à 1% mol en THF, mais l'analyse statistique n'est pas significative. Au cours de ces derniers essais le taux de cisaillement demeure constant pour toute la durée de l'expérimentation. Par ailleurs, la variation du cisaillement en cours d'expérimentation est l'effet hydrodynamique le plus marqué sur le temps d'induction. Le fait d'imposer un fort taux de cisaillement (900s-1) dès le commencement de l'essai pour un certain temps, et ensuite de changer abruptement vers un plus faible taux de cisaillement (100s-1) tend à favoriser la cinétique de formation des hydrates. Une diminution du temps d'induction est observée lorsque le taux de 900s-1 est appliqué pour une période de 10 min et plus. La diminution du temps d'induction moyen observé est de 89% comparativement au plus grand temps d'induction moyen obtenu pour un fort cisaillement d'une durée de 1 min Les particules d'hydrate sont formées soit pendant le fort cisaillement ou lors d'un changement du taux de cisaillement. Ce phénomène démontre une diminution de la variabilité des temps d'induction du procédé de formation des hydrates. L'aspect de l'hydrodynamique sur la cuve agitée est biaisé par des fuites de gaz dû à sa mauvaise étanchéité. Une analyse a malgré tout été effectuée pour en dégager les tendances principales. La conclusion est identique pour les deux objectifs à caractériser, c'est-à-dire que les résultats ne démontrent aucune différence significative. Nulle tendance n'est ressortie de l'analyse des effets de l'hydrodynamique sur la formation des hydrates sur la cuve agitée.  ABSTRACT: Gas hydrate technology could be utilized to capture and separate greenhouse gases that are harmful for environment from flue gases. Thermodynamically, CO2 hydrate forms at moderate temperature and high pressure. This research investigated the hydrodynamic impact on the induction time and growth steps of crystallization. Experiments were performed on two different scale vessels. The first one is the rheometer, with a smaller volume, and a large agitated vessel. In both of these equipments the hydrodynamic effects on induction time were investigated. Otherwise, the impact of hydrodynamic on the formation rate was only analyzed on the agitated vessel. The controlled hydrodynamics parameter in the rheometer is the shear rate, and for the stirred-vessel it is the rotational velocity. First experiments were executed at multiple shear rates, which remained constant during the experiment. The results obtained with the solution concentrated at 3% mol in THF, revealed that the induction time trend to be minimized with greater shear rate. Analysis of variance confirms that the result shows significant differences, and that the trend is significant. The same tendency is brought out from the results that come from the 1% mol solution in THF, but further analysis didn't evoke a significant difference between the results. The second set of experiments was run with a shear rate variation during the experiment. Hydrodynamic effects on the induction time are noticed for the experiment where high shear rate (900s-1) is used from the start for a definite period, and abruptly changes to a slower shear rate (100s-1). The effect on the induction time is observed for the imposition of high shear rate in a period ranging between 10 min and 30 min. Moreover, there is an average -89% reduction on the mean induction time for this range, compared to the longest mean induction time documented for a high shear rate time of 1 min. Process variability is also optimized with the use of the high shear rate phenomenon with a substantial decrease for the standard error. Gas leaks from the stirred-vessel distorted the results attended to measure the effect of hydrodynamics on both objectives, induction time and formation rate, respectively. An analysis on the two objectives was made to bring out any possible trend from the scale-up. Conclusions from both objectives are alike; no trend emerged from the results.


identifier: Savard, J. (2012). Intégration d'un simulateur de partitionnement spatial et temporel à un flot de conception basé sur les modèles  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'architecture avionique modulaire intégrée (IMA) représente une préoccupation cruciale pour l'industrie aérospatiale dans le développement de systèmes de plus en plus complexes, afin de réduire les coûts, ainsi que les temps, de développement, de certification et de production. D'un point de vue logiciel, cet objectif pousse les développeurs à développer ou migrer une multitude d'applications vers des systèmes d'exploitation temps réel (RTOS) conformes à la norme ARINC 653. Cette norme propose un partitionnement dans l'espace et dans le temps sécuritaire pour les systèmes critiques, un élément crucial aux IMA. Toutefois, le prix des licences pour les principaux environnements de développement commerciaux peut être très élevé. Il devient donc intéressant de s'attarder aux alternatives moins dispendieuses qui pourraient très bien être utilisées en début de développement aux fins de simulations, préalablement au déploiement sur la plateforme cible. D'un autre côté, plusieurs alternatives offrent peu de documentation ou de support, et sont souvent limitées quant aux approches de développement basé sur les modèles, ou quant à la conformité à la norme ARINC 653.  Pour répondre à cette problématique, ce projet se concentre sur ces environnements de développement peu coûteux ou libres de licences, et propose un flot de conception novateur incluant à la fois un environnement de modélisation efficace pour l'analyse basée sur les modèles, ainsi qu'un environnement de simulation.  Le flot proposé utilise le langage « Architecture Analysis and Design Language (AADL) » pour modéliser le système, et le simulateur commercial de système IMA (SIMA) développé par l'entreprise GMV pour exécuter les applications. Ce simulateur est conforme à la norme ARINC 653, et s'exécute sur un ordinateur de bureau par dessus un système d'exploitation Linux comportant un noyau temps-réel. Pour faire le pont entre les deux environnements, le générateur de code libre OCARINA, qui prend en entrée du AADL, a été étendu pour réaliser la génération de fichiers de configurations, et de codes sources, vers la cible SIMA. Le code source généré vise la gestion des appels aux services de l'interface de programmation ARINC 653. Une application avionique a été développée en tant qu'étude de cas pour expérimenter ce flot. Elle consiste en une unité de contrôle et d'affichage multiusage (de l'anglais : « Multi-purpose Control and Display Unit » ou MCDU) communiquant avec un système de gestion de vol simulé fourni par CMC Électronique. Durant l'expérimentation, le simulateur s'est démontré utile en permettant l'identification et la correction d'erreurs de conception dans la configuration et dans l'implémentation du MCDU, ce qui a réduit considérablement les erreurs de transmission de pages. Il a aussi été démontré qu'il pouvait être déployé sur une plateforme dotée d'une distribution Linux embarquée. Concernant le générateur étendu, les résultats furent concluants. La version actuelle de l'outil réduit considérablement le temps alloué à la configuration du système, et à la migration d'application vers l'environnement ARINC 653. De plus, le simulateur SIMA a dorénavant accès à une approche de développement basé sur les modèles. Par contre, des limitations fondamentales ont été identifiées quant à la génération de code source. Néanmoins, nous considérons que le flot que nous proposons est un point de départ satisfaisant qui pourra être étendu à d'autres technologies dans le cadre de futurs travaux.  ABSTRACT: The Integrated Modular Avionics (IMA) architecture has been a crucial concern for the aerospace industry in developing more complex systems, while seeking to reduce cost as well as development, certification and production time. From a software perspective, that objective pushes developers to develop or migrate most applications toward real-time operating systems (RTOS) compliant to the ARINC 653 standard which offers a safety critical space and time partitioning central to IMA. However, due to very high license costs, mainstream commercial development environments can be restrictive. That situation is even more striking considering low-cost alternatives could instead be used in early simulation, before deployment on target platform. On the other hand, many alternatives offer little documentation or support, and are often limited when it comes to either model-based engineering (MBE) approach, or compliance to the ARINC 653 standard. To answer that problematic, this project reviewed existing low-cost and open-source development environments, and proposes a novel flow including both a modeling environment effective for model-based analysis and a simulation level. The proposed flow uses the Architecture and Analysis Design Language (AADL) to model the system, and the commercial Simulated IMA (SIMA) simulator developed by GMV to execute its applications. That simulator is ARINC 653 compliant, and runs on a desktop computer over a Linux distribution with a real-time kernel. To bridge the two environments, the open-source OCARINA generator, which takes AADL inputs, was extended to achieve source code and configuration generation toward the SIMA target. The generated source code aims to manage calls to the ARINC 653 programming interface services. An avionic application was developed as a case study to experiment the latter flow. It consisted of a Multi-purpose Control and Display Unit (MCDU) communicating with an external Flight Management System (FMS) simulation provided by CMC Electronics. During the experiment, the simulator proved useful in leading to the identification and correction of design flaws in the MCDU system configuration, which considerably reduced page transmission failures. It also demonstrated that it could be deployed on a platform with an embedded Linux distribution. Concerning the extended generator, results have proved successful so far. The current version of the tool greatly reduces the time required to configure the system or migrate applications to an ARINC 653 environment. It also enhances the simulator with a MBE approach. However, fundamental limitations were identified as far as source code generation is concerned. Nevertheless, we consider our proposed flow to be a satisfying starting point, which could be extended to other technologies in future work.


identifier: Berthou, L. (2012). Apprentissage de modèles probabilistes pour la vision stéréoscopique en temps réel  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Il existe de nombreuses approches pour capturer des scènes en trois dimensions, la plus couramment utilisée est d'avoir recours à la stéréoscopie, qu'elle soit active ou passive. Le principe sous-jacent à de telles techniques est toujours le même et consiste à retrouver des correspondances aux travers différentes prises de vues. La recherche de ces correspondances aboutit à la création de cartes de disparités. Nous présentons ici une étude de différentes approches, aussi bien passive qu'active, pour construire de telles cartes. Nous nous intéressons également aux modèles probabilistes qui permettent leur débruitage et l'amélioration des résultats obtenus. Enfin, nous proposons également une approche basée sur l'utilisation de modèles de base et la combinaison de différentes techniques de calcul de disparités pour construire notre propre modèle. Il existe deux critères d'évaluation pour les approches de numérisation tridimensionnelle : le temps de traitement et la qualité des captures. Contrairement à d'autres systèmes cherchant à optimiser seulement l'un de ces deux critères, les résultats des travaux présentés ici sont obtenus en concentrant nos efforts sur la qualité mais aussi sur le temps nécessaire aux calculs. Pour cette dernière raison, nous avons choisi d'utiliser des techniques de parallélisation massive sur processeur graphique (\ac{GPGPU}). Nous étudierons donc des implémentations parallélisées et optimisées pour traiter nos images stéréoscopiques ou nos cartes de disparités, tels que l'algorithme du Census ou de Viterbi, entièrement sur un processeur graphique. Enfin nous verrons comment combiner divers sources d'informations telles qu'une Kinect et une caméra stéréo pour obtenir la meilleure qualité de carte de disparités possible. Nous verrons également un montage optimisé pour la numérisation de visages et l'évaluation et la comparaison de nouveaux modèles.  ABSTRACT: Among the various existing strategies to capture 3D information out of a scene, the most commonly used is stereoscopy, either active or passive. Underneath theses strategies there is always the same principle of finding corresponding points across captured views. Dense corresponding points are used to generate disparity map that can then be transformed in a depth map. This shows the importance of finding good approaches to build theses disparity maps. We will explore several approaches both active and passive to do so. We also present various probabilistic models that allow to denoise data and improve the quality of our disparity maps. We will also introduce a new way of combining these models and various strategies of getting disparity to build our own new model. We present a probabilistic framework to compute disparity maps focusing on both quality, efficiency and speed. To reduce the time needed for computing our disparity maps we chose to use general purpose computing on graphics processing units techniques to massively parallelize our algorithms. Hence we will present some optimized parallelized implementation of algorithms to treat both stereoscopic images and disparity maps such as Census algorithm or Viterbi, such that all the processing is done on a GPU. Finally we show how to combine various sources by adding a Kinect to our model based on stereo camera to improve either the quality of our outputted disparity map or the time required by our algorithms. We will also present a mount optimized for face scanning and new models evaluation and comparison.


identifier: Tardif, J. (2012). Représentation abstraite pour l'animation automatique de scènes virtuelles par planification classique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La génération d'animations dans des scènes 3D nécessite un travail manuel important de la part des créateurs. Pour cette raison, nous tentons d'obtenir une certaine automatisation du processus d'animation d'une scène virtuelle. Parmi les diverses techniques possibles, nous nous intéressons à la planification classique, dont le but est de générer un plan à partir d'un problème donné en formulant les buts spécifiques à atteindre. Notre projet s'inscrit dans les travaux du projet GITAN, dont l'objectif global est la génération automatique d'animations 3D à partir de texte. Le but de notre projet est de démontrer la faisabilité de la génération automatique d'un plan d'animation par planification classique à partir d'une représentation conceptuelle abstraite. Notre solution est d'abord basée sur la définition d'un format de description de scène inspiré de concepts définis par l'ontologie GUM-Space ainsi qu'une représentation des actions basée sur la ressource sémantique FrameNet. Selon le type d'action, plusieurs attributs peuvent qualifier le déroulement de celle-ci en fonction des objets concernés où encore selon des modalités spatiales. Afin d'ajouter l'information nécessaire à la formulation d'un problème de planification, nous avons conçu et développé une ontologie d'objets du monde réel et de contrôleurs en langage OWL. Cette dernière permet d'enrichir chaque situation décrite par de l'information concrète sur les fonctionnalités offertes par les objets de la scène. Elle fournit également de l'information utile au déroulement de l'action dans la scène. Cette base de connaissances est combinée à la définition d'un domaine d'actions en langage PDDL pour la résolution du problème de planification formulé à partir de la représentation conceptuelle abstraite. Nous avons mis au point une méthodologie d'évaluation impliquant l'implémentation de 16 scénarios de tests divers que nous avons validés manuellement afin de vérifier la validité de notre solution. Nous avons ensuite procédé à une analyse de la couverture du domaine d'actions du monde réel. Cette dernière a révélé des taux de couverture potentielle de 50\% à 100\% pour chacune des catégories d'actions auxquelles nous nous intéressions, avec un taux global de 88\%. Au terme de l'analyse des résultats de notre expérimentation, nous sommes en mesure d'affirmer qu'il est possible de générer automatiquement un plan d'animation par planification classique à partir d'une représentation conceptuelle abstraite. Nous affirmons cela sous certaines limitations posées par notre solution et notre méthodologie d'évaluation, mais nous pouvons tout de même affirmer que nous avons atteint nos objectifs de recherche.  ABSTRACT: Creation of 3D animations in virtual environments implies a lot of manual work from the hands of creators. Considering that, we aim to automate a part of this animation process by including an automated planning approach. The purpose of such an approach is to generate a plan from a given problem by formulating specific goals to reach. Our project is included in the GITAN project, whose goal is to generate 3D animations automatically from textual inputs. The specific goal of our project is to demonstrate the feasibility of animation plan generation from a conceptual representation offering a high level of abstraction, while using an automated planning approach. The solution we suggest involves defining a scene description format inspired from classes defined by the GUM-Space ontology. The resource used for the classification of actions is FrameNet, from which we can add parameters to describe the action's progress such as object-using constraints or spatial modalities. In order to add the required information for the formulation of a planning problem, we developed an OWL ontology to represent real-world objects and controllers. Using this ontology allows us to enhance each scene description by adding information on objects' features and action's progress. To get along with this knowledge base, we also defined an action domain in PDDL language for resolving the formulated planning problem. Our evaluation methodology involved the implementation of 16 test cases, from which we validated the results manually in order to confirm the validity of our solution. We then conducted an analysis of the action domain's potential coverage, which revealed coverage rates from 50\% to 100\% for the categories that we focused on, with a global coverage rate of 88\%. After our results' analysis, we can confirm the feasibility of our automated planning approach for animation plan generation from a conceptual representation. We consider a few limitations to our solution and evaluation methodology that are restricting our work's scope, but we can still assert that we have reached our research objectives.


identifier: Zouari, G. (2012). Processus de vérification et de validation des analyses mécaniques des roues de turbines hydrauliques avec CODE-ASTER  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire de maîtrise, intitulé «VÉRIFICATION ET VALIDATION DES ANALYSES MÉCANIQUES DE ROUES DE TURBINES HYDRAULIQUES AVEC CODE-ASTER», présente le développement d'une méthodologie de validation du code Aster pour les analyses mécaniques des roues des turbines hydroélectriques. Le sujet tire son origine du besoin d'un industriel de vérifier s'il est envisageable d'utiliser le code libre ‘'code Aster'' dans le but de simuler le comportement d'une turbine hydraulique soumise à des efforts fluidiques. La méthodologie utilisée est principalement une comparaison entre deux codes, et avec la solution analytique simplifiée. Le code utilisé comme base de comparaison est Workbench d'Ansys, qui est un code généraliste ayant déjà été validé. Les concepts de vérification et de validation de codes sont expliqués, avec un résumé de certaines méthodes particulières. Une brève description du fonctionnement des roues de turbines Francis est donnée, avec un résumé des principes physiques utilisés ainsi que le développement d'un modèle analytique simplifié. Les modèles physiques résolues par les solveurs sont données avec un résumé qualitatif des modèles numériques utilisés. Différents cas tests sont analysés et comparés entre les deux codes et la solution analytique quand le cas le permet. Ces cas tests ont pour but de simuler des cas simples faisant ressortir séparément chacune des caractéristiques physiques présentes dans une roue de turbine Francis. Les caractéristiques physiques importantes sont donc vérifiées une à la fois. Une tentative de calcul sur une situation plus réaliste a finalement été effectuée.  ABSTRACT: This master's thesis, entitled « verification and validation of low-head hydropower runners structural analysis with Aster» presents a mechanical based design code validation methodology applied to low head hydropower runners. The goal of the project is to verify the possibility of using Aster an open source code for mechanical simulations of low head hydropower runners. The method used for the verification is mainly a code to code comparison, and with analytical solutions, when allowed. The code used as comparison basis is Ansys Workbench, which has already been validated. The code verification and validation concepts are explained, with a summary of some particular methods. A brief description of low head hydropower runners operation is given, with a summary of physical principles used for its modeling. A simplified model was developed. The physical models solved by the computer codes are given, with a qualitative summary of numerical models used. Different test cases used are described, with analytical solution when possible. The results of these test cases are analyzed and compared between the two codes and the analytical solution. The goal of theses test cases is to simulate simple cases showing separately each physical characteristics present in a Francis turbine runners. The physical characteristics of importance are then verified one by one. An attempt on a more realistic and complex situation was finally done.


identifier: Pépin, F. (2012). Mobilité quotidienne des enfants : déterminants, caractéristiques et évolution  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: À Montréal comme ailleurs, l'obésité infantile, notamment causée par le manque d'activité physique des enfants, est une problématique préoccupant fortement les professionnels de la santé. Plusieurs auteurs soulignent qu'un assainissement des habitudes de transport des enfants, notamment par la pratique quotidienne d'une mobilité active, pourrait contribuer à améliorer la situation. En caractérisant la mobilité des enfants de la grande région montréalaise (GRM), ce mémoire cherche donc à approfondir notre compréhension des déterminants derrière leurs habitudes de transport. Dans ce contexte, ce mémoire s'efforce de répondre à deux objectifs. Dans un premier temps, les comportements de mobilité des jeunes de 5 à 19 ans de la GRM quel que soit le mode exploité ou le motif poursuivi sont analysés. Afin de répondre à cet objectif spécifique, la méthode de l'estimateur intrinsèque issue du processus de modélisation Âge-Période-Cohorte-Caractéristiques (APCC) permet l'exploitation des données provenant des enquêtes Origine-Destination réalisées entre 1987 et 2008. Cette approche nécessitant notamment de solides notions théoriques illustrant la problématique devant être traitée, une première analyse descriptive dû être réalisée. Par la suite, 6 indicateurs ont été modélisés : les parts modales de 4 modes (auto passager, marche, vélo et transports collectifs), la distance moyenne des déplacements réalisés et le nombre moyen de déplacements exécutés. Par le second objectif spécifique, cette étude porte aussi une attention particulière au lien entre le lieu de domicile des étudiants de la GRM et la localisation de l'école qu'ils fréquentent. À partir des données d'inscriptions scolaires de 1998 et de 2008, un modèle de distribution permit d'évaluer l'efficacité, en matière de distances de déplacements, du choix scolaire des étudiants. Trois scénarios exploratoires basés sur la redistribution des étudiants en fonction de 3 critères ont donc été développés. La première distribution permet d'analyser un scénario où chaque étudiant fréquente l'école la plus proche de son lieu de résidence. En plus du critère de proximité, le second scénario considère le réseau souhaité (enseignement privé et public) tandis que le troisième scénario redistribue les élèves en tenant compte de la capacité des écoles telle qu'observée en 2008.  ABSTRACT: Childhood obesity is caused, among other things, by the lack of physical activity among children. For many years now, this has been an issue that strongly concerns health professionals all over the world. Several authors emphasize that some changes in children's transportation habits, including the daily practice of active mobility, could help improve this situation. By characterizing the mobility of children in the greater Montreal area (GRM), this thesis seeks to deepen our understanding of the factors behind children's transportation habits. In this context, this paper addresses two main objectives. First, it analyzes the mobility behavior of children aged 5 to 19 years within the GRM. To consider this specific objective, the intrinsic estimator method of the Age-Period-Cohort-Characteristics (APCC) modelling process allows the use of data from the Origin-Destination surveys conducted from 1987 to 2008. This approach requires particularly strong theoretical bases documenting the problem to be treated. Therefore a descriptive analysis was also performed. Six indicators were modeled: the modal share of 4 transportation modes (car passenger, walking, cycling and public transportation), the average distance of trips made and the average number of trips performed. This study also pays special attention to the relationship between the place of residence of the students of the GRM and the location of the school they attend. From two school enrollment databases (1998 and 2008), a distribution model was developed to evaluate the effectiveness, in terms of travel distances, of the school choice made by students and/or their parents. Three exploratory scenarios based on the distribution of students according to three criteria are presented. The first distribution analyzes a scenario where each student attends the school closest to their home. In addition to the criterion of proximity, the second scenario considers the desired network (private and public education) while the third scenario redistributes students taking into account the capacity of schools as observed in 2008.


identifier: Lévesque, M. (2012). Influence du stockage thermique dans la structure du bâtiment sur les systèmes de pompes à chaleur géothermiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le potentiel de réduction de la longueur d'un échangeur géothermique vertical en boucle fermée (ÉGV) grâce au stockage thermique dans le béton d'un système de chauffage rayonnant hydronique intégré à la dalle d'un bâtiment (« dalle active ») est étudié. Le rez-de-chaussée d'un bâtiment commercial typique à Montréal (Canada) est modélisé dans l'environnement de simulation TRNSYS afin d'étudier le couplage de pompes à chaleur (PAC) géothermiques à un système de chauffage hydronique intégré à une dalle sur sol sur la saison de chauffage. Différents scénarios de fonctionnement journalier de l'ÉGV sont étudiés. Les résultats montrent que le nivellement de la charge au sol sur 24 heures ne permet de réduire la longueur de l'ÉGV que de 4 %, ce qui démontre la nécessité de réduire la capacité des PAC géothermiques afin d'obtenir une réduction significative de la longueur de l'ÉGV. Une étude de trois paramètres de design de la dalle active, soit son épaisseur, la profondeur des tuyaux qui y sont intégrés et leur espacement, est montrée. L'augmentation de l'épaisseur de la dalle de 100 à 200 mm permet de compenser une réduction de la capacité des PAC géothermiques de 8,3 %. Ensuite, une augmentation de la consommation électrique des PAC suite à une augmentation de la profondeur des tuyaux est observée et est due à l'augmentation de la résistance thermique entre les tuyaux et le plancher et l'augmentation des pertes de chaleur sous la dalle sur sol. Finalement, des tuyaux plus rapprochés permettent un meilleur échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le béton de la dalle, ce qui permet un meilleur rendement des PAC. Une comparaison avec un système de chauffage équivalent muni de ventilo-convecteurs permet de montrer que la longueur requise de l'ÉGV associé à une dalle active est 25 % plus élevée. Cette différence significative s'explique par les températures de chauffage plus faibles du système à dalle active, ce qui engendre un coefficient de performance moyen plus élevé pour le système à dalle active. En contrepartie, une diminution de la consommation des PAC de 21 % est observée. Finalement, une comparaison du stockage thermique dans le béton et sous forme de réservoirs d'eau montre que le premier est avantageux pour la dalle active, mais que le second est avantageux pour le système à ventilo-convecteurs. Finalement, il est montré qu'une diminution de 8,3 % de la capacité des PAC grâce à ces stockages thermiques permet de réduire la longueur de l'ÉGV jusqu'à respectivement 10,1 % et 8,4 % pour le chauffage à ventilo-convecteurs et à dalle active.  ABSTRACT: The length reduction potential of a vertical, closed loop geothermal heat exchanger linked to a thermally activated building system (TABS) that uses the thermal energy storage in the concrete floor is analysed. The ground floor of a typical commercial building in Montréal (Canada) is modeled in the TRNSYS simulation environment to study the coupling of geothermal heat pumps with a slab-on-grade TABS during the heating season. Different daily operation scenarios of the geothermal heat exchanger are studied. Results show that a 24 hour leveling of the ground thermal load during the heating season produces only a 4 % length reduction of the geothermal heat exchanger, which demonstrates the need to reduce the installed geothermal heat pump capacity to impact significantly the heat exchanger's length. Three design parameters of the TABS are analysed: the slab thickness and the depth and spacing of its embedded piping. It is shown that increasing the slab thickness from 100 to 200 mm (4 to 8 inches) compensates an 8.3 % reduction of the installed capacity of the heat pumps. An increase of the heat pump's energy consumption is observed with an increased depth of the slab's embedded piping, caused by the increased thermal resistance between the piping and the floor and the increased thermal losses beneath the slab-on-grade. Finally, a tightly spaced embedded piping results in a more efficient heat transfer between the fluid and the concrete, which increases the heat pump's coefficient of performance (COP). A comparison with an equivalent fan-coil heating system shows that the required length of the geothermal heat exchanger is 25 % greater for the TABS. This difference can be explained by the reduction of the fluid heating temperature for the TABS, which increases the heat pump's average COP. This is also accompanied by a 21 % reduction in the energy consumption. Finally, comparing the thermal energy storage in the concrete with water tanks shows that the former is beneficial for the TABS where the latter offers better results with the fan-coil heating system. Finally, it is shown that a reduction of the heat pumps installed capacity of 8.3 % leads to a maximum reduction of the heat exchanger's length of 10.1 % and 8.4 % for the TABS and fancoil heating systems, respectively.


identifier: Jaouhar, E. M. (2012). Analyse de l'effet d'inclusions drainantes sur la consolidation de sols fins et de résidus miniers  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Des grandes quantités de rejets sont générées par l'industrie minière. Deux principaux types de rejets solides sont entreposés à la surface : les roches stériles qui sont entreposées sous forme d'empilements, appelés haldes à stériles, et les résidus miniers qui sont stockés dans des parcs à résidus ceinturés par des digues de retenues. Dans ce dernier cas, plusieurs ruptures de digues ont été enregistrées au cours des dernières décennies. Ces ruptures peuvent être causées par divers phénomènes, incluant une liquéfaction des résidus, un débordement en crête ou une fuite d'eau excessive produisant une brèche. Ces déversements de résidus ont causé des pertes de vie ainsi que des dommages significatifs à l'environnement et aux infrastructures de surface. Les résidus de mines en roches dures ont une faible cohésion, avec une granulométrie dominée par la fraction silteuse. Le transport hydraulique et le dépôt de ces résidus induisent un état lâche, avec des pressions interstitielles élevées et une faible résistance aux chargements statique et cyclique. La consolidation naturelle des résidus sous leur propre poids est un long processus (qui peut s'étaler sur des années). Cette phase peut être accélérée en utilisant des inclusions drainantes faites de roches stériles. Cette technique de contrôle consistant à disposer de la roche stérile dans les parcs à résidus miniers a été proposée par Aubertin et al. (2002b). Les inclusions drainantes offrent un chemin de drainage préférentiel pour la dissipation des pressions d'eau en excès puisque leur conductivité hydraulique est plus de 100 fois supérieure à celle des résidus, en raison de la granulométrie grossière et très étalée des roches stériles. Ces dernières peuvent être disposées de façon à créer des structures continues ou des amoncèlements isolés dans le bassin, afin d'augmenter la résistance des résidus, accélérer leur vitesse de consolidation et limiter les effets de la liquéfaction.  ABSTRACT: Large quantity of waste materials is generated by the mining industry. Two main types of solid wastes are stored on the surface: waste rocks which are stored in the form of stacks), called waste rock piles, and milling wastes which are stored in tailings impoundments retained by dykes. In this last case, there have been several failures of tailings impoundments over the last few decades due to various phenomena, including liquefaction of the retained tailings, water overtopping the crest, or an excessive water seepage producing a breach. The resulting flows of tailings have resulted in losses of life as well as significant damage to the environment and surface infrastructures. Mining of hard rock ore deposits produces low plasticity, cohesionless tailings with a grain size distribution dominated by the silty fraction. The deposition of these tailings as a slurry induces a loose state, with high pore-water pressures and low resistance to static and cyclic loadings. Due to the high fines content, the self-weight consolidation of these deposits is a long process (lasting years). This process can be accelerated through the use of drainage inclusions made of waste rock. This co-disposal technique consisting of placing waste rock in tailings impoundments prior to and during tailings deposition was proposed by Aubertin et al. (2002b). Such pervious inclusions offer preferential drainage pathways to dissipate the excess pore water pressure inside the impoundment, as their saturated hydraulic conductivity is more than 100 times higher than that of tailings due to their coarser grain size. The waste rock are placed to create continuous inclusions or isolated heaps within the impoundment, that would increase the mechanical strength of the tailings, accelerate their consolidation and counteract the effects of tailings liquefaction.


identifier: Harmouche, R. (2012). Fusion multimodale d'images pour la reconstruction et la modélisation géométrique 3D du tronc humain  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La fusion multimodale d'images est un sujet de grand intérêt dans le domaine de la vision par ordinateur et a des applications dans divers domaines tels que la surveillance et l'imagerie médicale. En imagerie médicale, la fusion multimodale d'images est une étape importante, car les différentes images utilisées offrent de l'information complémentaire et utile pour la planification du traitement d'un patient. Par exemple, le recalage entre différentes modalités d'images à résonance magnétique (RM) du cerveau résulte en une superposition d'information morphologique et fonctionnelle. En cardiologie, le recalage multimodal permet une mise à jour d'un modèle préopératoire de la vascularisation des patients, obtenu à partir d'images RM ou tomographiques, avec des angiographies acquises dans la salle d'opération. Le recalage d'images multimodales permet aussi la construction d'un modèle complet du tronc pour la simulation numérique de traitements orthopédiques de déformations scoliotiques. La scoliose idiopathique est une maladie caractérisée par une courbure complexe de la colonne vertébrale qui peut affecter les fonctions physiques du patient nécessitant parfois une chirurgie. Les chirurgiens se fient sur des mesures obtenues à partir d'images radiographiques pour planifier la correction de la colonne. Par contre, suite à cette correction, une asymétrie du tronc peut persister. Il est donc utile de concevoir un simulateur de chirurgie afin de prédire l'effet de la correction chirurgicale sur l'apparence externe du tronc. Des travaux de recherche en cours visent à vérifier si la réaction de l'ensemble des structures anatomiques incluant les tissus mous face à une correction de la courbure de la colonne a un impact sur le résultat obtenu à la surface externe du tronc. Ces travaux nécessitent la génération d'un modèle géométrique du tronc entier y incluant les tissus mous afin de permettre la simulation de la propagation de l'effet d'une chirurgie de la colonne sur l'apparence externe du patient, fournissant ainsi aux chirurgiens un modèle pour la planification d'une chirurgie. Par conséquent, il est nécessaire de générer un modèle géométrique du tronc qui pourrait intégrer les structures osseuses extraites à partir d'images radiographies (RX), les tissus mous extraits à partir d'images RM et la surface externe du tronc obtenue à partir d'images de topographie de surface (TP) acquise à l'aide de caméras 3D. Ce modèle nécessite un recalage entre ces différentes modalités d'images.  Le recalage entre les images RM, RX et TP du tronc humain implique plusieurs difficultés. Premièrement, les images sont acquises à des moments ainsi qu'avec des postures différentes. Par exemple, les images RM sont acquises en position couchée, tandis que les images RX et TP sont acquises en position debout. Cette différence de posture entraîne des déformations non-rigides dans les structures anatomiques du tronc dont le recalage doit en tenir compte. De plus, les structures contenues dans le tronc humain n'ont pas toutes les mêmes caractéristiques physiques et, par conséquent, ne se déforment pas toutes de la même façon. En particulier, les vertèbres sont des structures rigides tandis que les tissus mous se déforment de façon non-rigide. Deuxièmement, il y a un manque de repères anatomiques correspondants entre les différentes images, puisque ces images montrent des informations complémentaires. Finalement, l'acquisition des images RM n'est pas toujours possible pour les patients scoliotiques à cause du manque de disponibilité des systèmes en clinique. De plus, la longue durée des acquisitions cause un manque de confort auprès des patientes. En effet, aucune des méthodes de recalage existantes n'effectue le recalage entre les images RM et RX tout en tenant compte du changement de posture entre les acquisitions, et aucune des méthodes n'effectue le recalage d'images TP, RX et RM du tronc humain.  Ce document propose une méthodologie pour la génération d'un modèle géométrique du tronc complet d'un patient scoliotique. Le modèle géométrique sera généré en fusionnant, par recalage élastique, des images RX, des images RM et des images TP d'un patient, tout en tenant compte du manque de correspondances anatomiques ainsi que des déformations dues au changement de posture entre les acquisitions d'images.  Dans une première phase, un recalage est effectué entre la colonne vertébrale extraite à partir des images RM et celle extraite à partir des images RX en compensant pour les changements dus à la différence de posture. La transformation semi-rigide de la colonne vertébrale est effectuée à l'aide d'un modèle articulé, ce dernier étant défini de la façon suivante: pour chaque vertèbre, un système de coordonnées local est construit à partir de repères vertébraux. Des transformations intervertébrales locales et rigides sont ensuite obtenues en calculant les transformations entre les systèmes de coordonnées locaux des vertèbres adjacentes. Finalement, la transformation globale entre chaque vertèbre extraite à partir de l'image RM et la vertèbre correspondante extraite à partir de l'image RX est obtenue en concaténant les transformations locales. La validation a été effectuée sur 14 patientes scoliotiques en comparant la méthode proposée avec un recalage rigide. La précision du recalage des vertèbres thoraciques et lombaires est validée en calculant l'erreur cible entre des points de repère extraits à partir des corps vertébraux. L'erreur moyenne cible a diminué de 10,73 mm dans le cas du recalage rigide jusqu'à 4,53 mm dans le cas du recalage avec modèle articulé. De plus, les angles de Cobb obtenus à partir des images RM sont comparés à ceux obtenus à partir des images RX dans le plan latéral et frontal, au niveau thoracique et lombaire, ceci avant et après le recalage. Les différences entre tous les angles de Cobb des deux modalités d'images étaient toujours au-delà de 10,0° suite au recalage rigide, tandis que ces différences ont baissé en dessous de 1,0° suite au recalage avec la méthode proposée. Finalement, en comparant les courbures de la colonne entre les positions couchée et debout, nous avons remarqué une diminution significative dans l'angle de Cobb lorsque le patient est en position couchée. Cette diminution était au-delà de 10,0° dans les deux plans et dans les deux régions de la colonne. Ces différences d'angles confirment les résultats obtenus dans la littérature montrant que la courbure de la colonne est atténuée lorsque le patient est en position couchée. De plus, la diminution dans les erreurs de recalage lorsque la méthode proposée est utilisée démontre que cette méthode réussit à recaler les structures vertébrales entre les images RM et RX tout en compensant pour le changement de posture qui se fait entre les deux acquisitions. Dans une deuxième phase, les images RM, RX et TP d'un même patient sont recalées afin d'obtenir un modèle géométrique complet d'un patient qui incorpore les structures osseuses, les tissus mous, ainsi que la surface externe du tronc. Tout d'abord, les images TP sont recalées aux images RX en utilisant une fonction spline plaque-mince et à l'aide de points correspondants placés sur la surface du tronc du patient avant l'acquisition des deux modalités d'images. Ensuite, les images RM sont incorporées en se servant d'une transformation du modèle articulé suivi d'un recalage avec une spline plaque-mince contrainte afin de tenir compte de la rigidité des vertèbres. La qualité du recalage entre les images RM et TP est quantifiée pour trois patients scoliotiques avec l'indice DICE, celui-ci mesurant le chevauchement entre les tranches d'images RM et l'espace contenu dans l'image TP, et étant défini comme le ratio entre le double de l'intersection et l'union. L'indice DICE varie entre 0 et 1, où la valeur de 0 indique qu'il n'y a aucun chevauchement et une valeur de 1 indique qu'il y a un chevauchement parfait. Une valeur de 0,7 est considérée comme un chevauchement adéquat. Le recalage avec la méthode proposée est comparé au recalage rigide ainsi qu'au recalage articulé simple. Une valeur DICE moyenne de 0,95 est obtenue pour la méthode proposée, démontrant un excellent chevauchement et une amélioration comparativement à la valeur de 0,82 dans le cas du modèle articulé simple et de 0,84 dans le cas du recalage rigide. Donc, la méthode de recalage proposée réussit à fusionner les données sur les structures osseuses, les tissus mous, ainsi que la surface externe du tronc à partir des images RM, RX et TP, tout en compensant pour le changement de posture entre ces acquisitions. Dans une troisième phase, un recalage inter-patient permet de compléter un modèle tridimensionnel partiel personnalisé du tronc d'un patient à partir d'une fusion des images RX et TP du patient et des images RM d'un modèle générique obtenu en suivant la méthodologie proposée. Premièrement, un patient ayant un modèle géométrique complet qui incorpore les structures osseuses, les tissus mous, ainsi que la surface externe du tronc est désigné en tant que modèle générique. Deuxièmement, un modèle personnalisé partiel d'un autre patient est obtenu en recalant les images TP aux images RX à l'aide d'une fonction spline plaque-mince. Troisièmement, les images RM du modèle générique sont incorporées dans le modèle personnalisé partiel de ce patient à l'aide du modèle articulé ainsi que de la déformation spline plaque-mince contrainte. L'indice DICE est utilisé afin de mesurer le chevauchement entre les images TP du patient et les images RM incorporées suite au recalage inter-patient à partir du modèle générique. De plus, le chevauchement est calculé entre les images RM incorporées suite au recalage inter-patient à partir du modèle générique et les images RM réelles du patient suite au recalage intra-patient. Les résultats montrent une diminution générale significative de l'indice DICE comparativement au recalage intra-patient. Par contre, les valeurs obtenues sont plus élevées que 0,7, ce qui est adéquat. Le chevauchement a aussi été mesuré entre le gras segmenté à partir des images RM suite au recalage inter-patient et les images RM réelles du patient suite au recalage intra-patient, et des valeurs inférieures à 0,7 sont obtenues. Ceci peut être expliqué par le fait que ratio faible entre la circonférence et l'aire des structures analysées a pour effet de diminuer les valeurs DICE. La méthodologie proposée fournit un cadre qui permet de construire un modèle complet du tronc sans avoir besoin d'une acquisition d'images RM pour chaque patient.  Le modèle complet obtenu inclut les structures osseuses, les tissus mous ainsi que la surface du tronc complet d'un patient scoliotique. Ce modèle peut être incorporé dans le simulateur chirurgical qui est en cours de développement, afin de tenir compte des tissus mous dans la simulation de l'effet d'un traitement de la colonne vertébrale sur la surface du tronc d'un patient. Cependant, la précision du recalage pourrait être améliorée en se servant d'un maillage adaptatif tridimensionnel des tissus mous tout en incorporant des indices de rigidité pour chacun des tissus.  ABSTRACT: Multimodal image fusion is a topic of great interest in the field of computer vision and has applications in a wide range of areas such as video surveillance and medical imaging. In medical imaging applications, multimodal image fusion is an important task since different image modalities can be used in order to provide additional information and are thus useful for the treatment of patients. For example, the registration between different magnetic resonance (MR) image modalities of the brain results in a model that incorporates both anatomical and functional information. In cardiology, the multimodal registration allows an up-to-date 3D preoperative model of patients, obtained from computed tomography or MR images, with angiograms acquired in the operating room. The multimodal image registration also allows for the construction of a complete model of the trunk for the simulation of orthopedic treatments for scoliotic deformations. Idiopathic scoliosis is a disease characterized by a complex curvature of the spine which can affect the physical functioning of the patient, sometimes requiring surgery. Surgeons rely on measurements obtained from radiographic images in order plan the surgical correction of the vertebral column. However, following such a correction, an asymmetry of the trunk may persist. It would therefore be useful to develop a surgical simulator in order to predict the effect of a surgical correction on the external appearance of the trunk. Research is underway that aims to verify whether the reaction of all anatomical structures including the soft tissues following a correction of the curvature of the spine has an impact on the result obtained at the external surface of the torso. This research requires the design of a geometric model of the entire trunk that also incorporates soft tissues in order to allow for the simulation of the propagation of the effect of spine surgery on the external appearance of the patient, thus providing surgeons with a model for surgical planning. Therefore, it is necessary to obtain a geometric model of the trunk that would integrate the bone structures extracted from X-ray images, soft tissues extracted from MR images and the trunk surface obtained from surface topography (TP) data acquired using 3D cameras. This complete model requires the registration between the different imaging modalities. The registration between the MR, X-ray and TP images is subject to several difficulties. Firstly, these images are acquired at different times and in different postures. For example, MR images are acquired in prone position, whereas the TP and X-ray images are acquired in standing position. This difference in posture causes non-rigid deformations in the anatomical structures of the trunk that must be taken into consideration during registration. Moreover, the structures contained in the human body do not have the same physical characteristics, and therefore do not deform all in the same manner. In particular, the vertebrae are rigid structures, while soft tissues deform non-rigidly. Secondly, there is a lack of corresponding anatomical landmarks between the different images, as these images contain non-overlapping anatomical information. Thirdly, the acquisition of MR images is not always possible for patients with scoliosis due to the lack of availability of such acquisition systems in clinical settings. In addition, the lengthy acquisition time causes patient discomfort. In fact, none of the existing registration methods registers X-ray and MR images while taking into account the change in posture between acquisitions, and none of the methods registers TP, MR and X-ray images of the human trunk. This document proposes a methodology for generating a complete geometric model of the trunk of a patient with scoliosis. The geometric model is developed using the non-rigid registration of X-ray, TP and MR images, while taking into account the lack of anatomical correspondences between the image modalities, and the non-rigid deformation that occurs due to a posture change between the image acquisitions. In the first phase, the shape of the spine extracted from MR images is registered to that extracted from the X-ray images all while compensating for spine shape changes that are due to the difference in posture between the acquisition of the two modalities. The semi-rigid transformation of the spine is obtained by means of an articulated model registration which is defined as follows: For each vertebra, a local coordinate system is constructed from vertebral landmarks. Local rigid inter-vertebral transformations are then obtained by computing the transformations between the local coordinate systems of adjacent vertebrae. Finally, the global transformation between each vertebra extracted from the MR images and the corresponding vertebra extracted from the X-ray images is obtained by concatenating the local transformations. The validation is performed using 14 patients with scoliosis by comparing the proposed method with rigid registration. Registration accuracy in the thoracic and lumbar areas is validated by calculating the target registration error between correspondence points extracted from the vertebral bodies. The average error decreased from 10.73 mm in the case of rigid registration to 4.53 mm in the case of registration using the proposed articulated model. In addition, Cobb angles obtained from MR image reconstructions are compared with those obtained from X-ray image reconstructions in the lateral and frontal views and in the thoracic and lumbar areas of the spine, both before and after registration. The differences between all Cobb angles of the two imaging modalities were above 10.0° following rigid registration, whereas these differences fell below 1.0° following registration using the proposed method. Finally, when comparing the curvatures of the spine between the prone and standing postures, we noticed a significant decrease in the Cobb angle when the patient is lying down. This decrease was above the 10.0° in both views and in both regions of the spine. These angle differences confirm the results obtained in the literature showing that the curvature of the spine is attenuated when the patient is lying down. Moreover, the decrease in registration errors when the proposed method is used shows that this method successfully aligns the spine between MR and X-ray images all while compensating for the change in posture that occurs between the two acquisitions. In the second phase, the TP, X-ray and MR images of the same patient are registered in order to obtain a full geometric model of the entire torso which incorporates the bone structures, soft tissue, as well as the external surface of the trunk. Firstly, the TP and X-ray images are aligned using a thin-plate spline and landmarks placed on the surface of the trunk of the patient prior to the acquisition of the two imaging modalities. Secondly, MR images are incorporated into the model using the articulated model followed by a thin-plate spline registration constrained in order to maintain the stiffness of the vertebrae. The quality of registration between the MR and the TP images is verified for 3 patients with scoliosis with the DICE index à, which measures the overlap between the MRI slices and the space contained within the TP image. The DICE index varies between 0 and 1, where the value of 0 indicates that there is no overlap and a value of 1 indicates a perfect overlap. A value of 0.7 is considered suitable overlap. The proposed method is compared to rigid registration and registration a simple articulated model. An average DICE value of 0.95 is obtained when the proposed method is used, showing excellent overlap and a significant improvement compared to 0.82 in the case of simple articulated model registration and 0.84 in the case of rigid registration. Therefore, the proposed registration method succeeds in incorporating bone structures, soft tissues, and the external surface of the trunk using MR, X-ray and TP images all while compensating for the change in posture that occurs between these acquisitions. In the third phase, inter-patient registration allows for the completion of a personalized three-dimensional partial model of the trunk of a patient by registering TP and X-ray images of the patient with the MR images of a generic model that is obtained by following the proposed methodology. Firstly, a patient having a full geometric model which incorporates the bone structures, soft tissues, as well as the external surface of the trunk is designated as the generic model. Secondly, a partial personalized model of another patient is obtained by registering the X-ray and TP images of the patient using a thin-plate spline function. Thirdly, MR images of the generic model are incorporated into the partial personalized model of the test patient using the articulated model transformation and the constrained thin-plate spline deformation. The DICE index is used in order to measure the overlap between the TP images of the patient and the MR images from the generic model following inter-patient registration. Moreover, the overlap between the MR images from the generic model following inter-patient registration and the patient's real MR images is measured. The results show a significant overall decrease in the DICE index compared to intra-patient registration. However, the values obtained are higher than 0.7, which is considered adequate. The overlap was also measured between fat tissues segmented from MR images registered from the generic model and the patient's own registered MR images, and values below 0.7 are obtained. However, this lack of overlap can be explained by the fact that the low circumference to area ratio of the structures being analysed leads to inherently lower DICE values. The methodology proposed here allows for a framework in which, upon the use of a larger database of patients, a complete model of the trunk can be built without the need for MR image acquisition for each patient. The complete model obtained includes the bone structures, soft tissues and the complete surface of the trunk of scoliotic patients. This model can be incorporated into the surgical simulator which is under development, in order to take soft tissues into account while simulating the effect of spine instrumentation on the external surface of the patient's trunk. However, the precision of the registration can be improved by using a 3 dimensional adaptive mesh of the soft tissues all while incorporating tissue-specific stiffness factors.


identifier: El Fathi, A. (2012). Navigation globale d'un fauteuil roulant motorisé dans de grands espaces intérieurs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans ce mémoire nous présentons un nouveau module de navigation conçu pour un fauteuil roulant motorisé. Ce module a pour objectif de fournir des fonctionnalités essentielles à l'ensemble des personnes à mobilité réduite utilisant ces fauteuils. Différents services ont été prévus lors de la conception de ce module, tels que l'assistance à l'évitement d'obstacle, l'exécution de manœuvres automatiques (mouvements rectilignes, suivi de personnes, traversée de passages étroits et stationnement) et la génération de carte de l'environnement, le tout en respectant les modalités de sécurité et convivialité. De plus, il a été conçu et développé sous une plateforme collaborative de développement se distinguant par sa facilité d'intégration et sa modularité. Même si nous nous limitons sur un fauteuil roulant, ce travail contribue au domaine de la robotique mobile avec l'architecture de contrôle proposée, cette architecture englobant : un superviseur, un mode manuel, un mode semi-manuel et un mode automne. Ainsi, il propose des solutions au problème de navigation globale en fournissant une méthode de construction de carte basée sur différents capteurs, et une méthode de localisation globale permettant de se retrouver sur une carte. Le prototype développé se caractérise par la multitude de capteurs utilisés : télémètre laser, télémètre ultrason et caméra Kinect. Nous allons présenter un travail de synthèse permettant d'identifier parmi ces capteurs, ceux nécessaires pour assurer les performances recherchées dans un tel module de navigation. Enfin, l'ensemble des expérimentations que nous avons effectuées, incluant des cartographies de grands espaces, démontre les performances de notre module de navigation, ainsi que ses limites.  ABSTRACT: In this thesis we present a new navigation system designed for powered wheelchairs. This system aims at providing essential functionalities to disabled people using wheelchairs. Different services were planned during the design of the navigation module, such as collision avoidance, execution of automatic maneuvers (straight movements, following a person, passing through narrow passage and parking) but also generating maps of the environment. All these actions must comply with the terms of safety and security. In addition, it has been designed and developed in a collaborative operating system characterized by its ease of integration and modularity. Even if we do limit our investigation to motorized wheelchairs, our new control architecture is a contribution to the field of mobile robotics with the proposed control architecture. This architecture includes: a supervisor, a manual mode, a semi-manual mode and an automatic mode. Thus, it offers solutions to the global navigation problem by providing a mapping method based on various sensors, and a global localisation method to localise on a map. The prototype developed is characterized by a multitude of sensors: laser rangefinder, ultrasound rangefinder and Kinect camera. We will perform a synthesis to identify among these sensors, those necessary to ensure the desired performance in such a navigation module. Finally, the set of experiments we carried out, including mapping of large interior spaces, demonstrates the performance of our navigation module and its limits.


identifier: Roy, P.-O. (2012). Modélisation environnementale régionalisée à l'échelle mondiale de l'acidification terrestre et aquatique dans le cadre de l'évaluation des impacts du cycle de vie  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'acidification des milieux terrestres et aquatiques est principalement causée par des émissions de SO2, NOx et de NH3 à l'atmosphère. Ces polluants, une fois émis, sont transportés sur de longues distances, interagissent avec les composantes de l'atmosphère avant de retomber au niveau du sol causant un changement d'acidité dans les milieux récepteurs (i.e. terrestres et/ou aquatiques). Pour presque toute espèce vivante, il existe une plage de pH optimale pour le maintien de la vie. Une déviation de cet optimum est dommageable pour cette espèce et engendre un changement de la biodiversité dans les écosystèmes. L'analyse du cycle de vie (ACV) est un outil d'aide de prise à la décision qui permet d'évaluer les impacts potentiels d'un produit pour de nombreuses catégories d'impacts (e.g. changement climatique, toxicité, acidification). Pour ce faire, les méthodes d'évaluation des impacts du cycle de vie (ACVI) ont recours à des facteurs de caractérisation (FCs). Un FC se définit comme étant la représentation mathématique de la chaine de cause à effet d'une catégorie d'impact donnée. En considérant le cadre d'évaluation des impacts reliés aux émissions atmosphériques (Udo de Haes et al., 2002), les FCs de la catégorie d'impact acidification ont été calculés par la somme des produits des facteurs de devenir atmosphérique associés à un lieu d'émission, de facteurs de la sensibilité des sols ou de facteur de devenir des milieux récepteurs (terrestres et aquatiques) associés aux milieux récepteurs et de facteurs d'effet également associés aux milieux récepteurs. Le facteur de devenir atmosphérique évalue la relation entre la quantité de polluant émis et la quantité déposée en un lieu donnée. La sommation de ces derniers représente la fraction totale d'une émission transférée à l'ensemble des mileiux récepteurs. Le facteur de sensibilité ou le facteur de devenir des milieux récepteurs évalue la stabilité (mesurée, par exemple, par le pH) des milieux récepteurs (terrestre et/ou aquatique) suivant les dépositions de substances acidifiantes. Le facteur d'effet évalue le changement de biodiversité (e.g. perte d'espèces) du au changement de la qualité des milieux récepteurs suite aux dépositions acides. Ces facteurs sont calculés à l'aide de plusieurs modèles mathématiques basés sur les sciences naturelles et décrivent la succession de processus chimiques, physiques et biologiques de la chaine cause-effet. Il existe deux approches de calculs pour les FCs : une approche dite problème et une approche dite dommage. Cette dernière approche modélise l'ensemble de la chaine cause-effet jusqu'aux dommages. La premère approche (problème) ne modélise qu'une partie de la chaine cause-effet; vii liant, par exemple, l'émission jusqu'à la déposition dans les milieux récepteurs ou jusqu'au changement de la qualité des écosystèmes. En théorie, cependant, les FCs orientés problèmes sont définis comme un compromis maximisant la pertinence environnementale (pour la prise de décision) et minimisant l'incertitude du modèle de caractérisation. Plusieurs limitations ont été identifiées dans les méthodes ACVI actuelles. (i) La plupart des FCs retrouvés dans les méthodes ACVI actuelles sont basés sur de la modélisation réalisée à une échelle continentale et sont de types problèmes. Cependant, ces FCs ne sont représentatifs que d'un lieu géographique circonscrit (i.e. Canada, États-Unis, Europe ou Japon). Lors de la caractérisation des émissions du cycle de vie, l'hypothèse implicite posée a pour conséquence que toutes les émissions sont considérées comme ayant lieux dans ce lieu géographique circonscrit (e.g. une émission de 1 kg de SO2 en Chine est équivalent à 1 kg SO2 en Europe). Avec la globalisation des marchés, cette hypothèse s'avère inexacte. (ii) Le recours à la modélisation basée sur une échelle continentale est problématique puisque les émissions voyageant hors du contexte d'application ne sont pas considérées. Bien que cette déposition transcontinentale représente, probablement, une faible proportion de la déposition totale, il est possible que les dépôts acides choient sur des milieux récepteurs sensibles causant un impact important. (iii) Il existe un manque de cohérence entre les FCs de l'acidification terrestre de types problème et dommage. En effet, les FCs problèmes sont basés sur un indicateur de type « charge critique » qui, pour le moment, ne peut être lié à une modélisation subséquente vers un indicateur de la perte de biodiversité. (iv) Il n'existe pas de FCs régionalisés basés sur le devenir atmosphérique, le devenir des milieux récepteurs et l'effet pour l'acidification aquatique. Par conséquent, les impacts potentiels de l'acidification aquatique sont négligés en ACV. (v) Les capacités de modélisaiton de l'acidification terrestre sont limités à l'échelle nationale et celles de l'acidification aquatique sont inexistantes. (vi) Bien que la variabilité spatiale des FCs est généralement évaluée, l'incertitude inhérentes aux FCs ne l'est pas. Sur la base de ces constats, les objectifs principaux ont été définis: 1. Créer un modèle de caractérisation régionalisé pour l'acidification terrestre et aquatique sur la base de modèles sophistiqués de devenir atmosphérique, de la sensibilité/devenir des milieux récepteurs et d'effet à une échelle mondiale. viii 2. Générer des facteurs de devenir atmosphérique permettant de considérer la déposition transcontinentale. 3. Générer des facteurs de sensibilité terrestre compatible avec une phase subséquente vers un indicateur de la perte de biodiversité. 4. Développer un modèle permettant d'évaluer le devenir des milieux récepteurs pour l'acidification aquatique pouvant être combiné aux courbes dose-réponses, illustrant la perte de biodiversité, existantes. 5. Générer des FCs régionalisés, de type dommage, à l'échelle globale pour l'acidification terrestre et aquatique. 6. Évaluer l'incertitude et la variation spatiale reliées aux FCs développés afin de définir et générer des FCs de type problème à l'échelle globale et supporter l'interprétation lors d'étude ACV. Pour ce faire, il fut nécessaire de créer un cadre méthodologique identifiant les indicateurs couvrant l'intégralité de chaîne cause-effet et les étapes de modélisation à développer pour obtenir des facteurs de devenir atmosphérique régionaux reliant l'émission à la déposition, des facteurs de sensibilité des sols reliant une déposition atmosphérique à un changement de pH des sols, des facteurs de devenir des milieux récepteurs (pour l'acidification aquatique) reliant une déposition atmosphérique à un changement de pH dans les lacs et des facteurs d'effet (terrestres et aquatiques) afin de calculer des changements de biodiversité des espèces biologiques en fonction d'un changement de pH. Tous développements ont été menés dans le but de calculer des FCs régionalisés dommages, à l'échelle globale, et d'en évaluer la variabilité spatiale et l'incertitude. Un modèle de dispersion et de chimie atmosphérique mondial a été sélectionné pour servir de base à la génération de facteurs de devenir atmosphérique. À l'aide de bilans de masse, il a été possible de créer une matrice source-récepteur, dont les éléments sont des facteurs de devenir. Les résultats ont montré que la déposition transcontinentale représentait, en moyenne, près de 4% de la déposition totale d'un continent. Un modèle simulant les processus géochimiques des sols a servi pour évaluer différents indicateurs chimiques des sols en régime permanent. Pour ce faire, il fut cependant nécessaire de ix créer une base de données mondiale des paramètres de sols. Les résultats ont montrés que le pH surlignait les zones les plus sensibles attendues et démontrait le moins de variation suite à l'incertitude des paramètres de sols. Un modèle a été créée afin d'évaluer le pH des lacs à travers le monde. Le modèle considère que les lacs sont représentés par une série de réacteurs parfaitement mélangés (CSTR). Il considère les entrées d'ions H+ provenant de l'atmosphère, des sols environnants ainsi que de l'eau en amont des lacs. Il considère également les sorties d'ions H+ suite au transport en aval des lacs et à l'évaporation. Les facteurs d'effet terrestre et aquatique ont été générés à partir de modèles de régressions de différents écosystèmes à travers le monde liant le pH à la perte de biodiversité des plantes vasculaires, pour l'acidification terrestre, ou des poissons, pour l'acidification aquatique. Ces développements méthodologiques ont donné comme résultat 13104 FCs pour, respectivement, l'acidification terrestre et aquatique. Chaque FC peut déterminer l'impact potentiel d'une émission ayant lieu dans un grillage d'une résolution équivalente à 2ox2.5o partout sur la planète. Des variations de 5 à 6 ordres de grandeurs et de 8 à 10 ordres de grandeurs pour respectivement l'acidification terrestre et aquatique ont été observées selon le lieu d'émission. L'incertitude des FCs dommages a été évaluée à plus d'un ordre de grandeurs (facteur  32) et à près de 2 ordres de grandeurs pour l'acidification terrestre et aquatique, respectivement. De plus, les résultats ont montré l'importance de considérer la déposition transcontinentale. En effet, bien que cette dernière représente près de 4% de la déposition totale, elle est responsable de typiquement 15-17% et 44-58% de l'impact potentiel total de, respectivement, l'acidification terrestre et aquatique pour un lieu d'émission donné. En évaluant la contribution des facteurs de devenir atmosphérique, de la sensibilité des sols ou du devenir dans les milieux récepteurs et des effets à la variabilité spatiale et à l'incertitude du facteur de dommage, il a été possible de conclure que les FCs de type problème doivent incorporer à la fois le devenir atmosphérique et la sensibilité des sols ou, respectivement, le devenir des milieux récepteurs. En effet, le facteur de devenir atmosphérique contribue peu à la variabilité spatiale alors que le facteur d'effet contribue à typiquement plus de 90% de l'incertitude totale. On en conclu qu'un FC portant sur la sensibilité des sols ou, respectivement, x du devenir des milieux récepteurs s'avère être le meilleur compromis entre la minimisation de l'incertitude et la maximisation de la pertinence environnementale et ce, tout en garantissant un lien cohérent entre les FCs problèmes et dommages. L'incertitude des FCs problèmes a été évaluée à un facteur 3 et un facteur 2 pour l'acidification terrestre et aquatique, respectivement. De plus, il a été montré qu'une évaluation basée sur de la modélisation à une l'échelle nationale, continentale ou mondiale engendrait une incertitude supplémentaire équivalente à un ou deux ordres de grandeurs selon la résolution sélectionnée. Ainsi, cette thèse a proposé un modèle de caractérisation régionalisé à l'échelle mondiale permettant la génération de FCs pouvant différentier davantage (comparativement aux FCs existants) les émissions de substances acidifiantes tout en montrant l'importance i) des impacts potentiels provenant de la déposition transcontinentale, ii) de la variabilité spatiale et iii) de l'incertitude et ce, pour l'acidification terrestre et aquatique. En ce sens, cette thèse permet d'améliorer les pratiques courantes de l'évaluation des impacts du cycle de vie de la catégorie d'impact acidification en ACV.  ABSTRACT: Terrestrial and aquatic acidification are mostly caused by atmospheric emissions of SO2, NOx and NH3. Once emitted, these pollutants are transported over long distances, react with the atmospheric components before being deposited on receiving environments. Consequently, changes in their acidity levels may then be observed. For nearly every living species, there is an optimum pH. A serious deviation from this optimum can cause damages for this species and may thus result in a change of the ecosystem biodiversity. Life cycle assessment (LCA) is a decision making tool that allows for the evaluation of potential impacts of a product over numerous impact categories (e.g. climate change, toxicity, acidification). To do so, life cycle impact assessment methods (LCIA) use characterization factors (CFs). A CF is defined as a mathematical representation of the cause-effect chain of a given impact category. Considering the impact assessment framework for atmospheric emitted pollutants (Udo de Haes et al., 2002), acidification's CFs were generated from the multiplication and subsequent sum of an atmospheric fate factor associated to a source location, a soil sensitivity or receiving environment fate factor related to receiving environments (terrestrial or aquatic, respectively) and effect factor also related to receiving environments. The atmospheric fate factor evaluates the source-receptor relationship. The sum of these factors represents to total fraction of the emission transferred to the receiving environments. The soil sensitivity or receiving environment fate factor evaluates the stability (measured, for example, with pH) of the receiving environment(s) following acid deposits. The effect factor evaluates the change in biodiversity loss caused by the recorded (or not) change in ecosystem quality. These factors are calculated from numerous mathematical models based on natural sciences and describe the cause-effect chain succession of chemical, physical and biological processes. There are two approaches to calculating CFs: a midpoint and an endpoint approach. Endpoint CFs model the entire cause-effect chain. The midpoint CFs only model a part of the cause-effect chain; linking for example, emission to atmospheric deposition or to changes in ecosystem quality. In theory, however, midpoint CFs are defined as the trade-off between the maximisation of environmental relevance and the minimisation of the characterization model uncertainties. xii Many limitations of the existing LCIA methods were identified. (i) Most CFs are based on continental modeling and evaluated with a midpoint approach. However, current CFs are only representative of a specific geographical context (i.e. Canada, United States of America, Europe or Japan). When characterizing life cycle emissions, it is assumed implicitly that they all occur within this geographical location (i.e. 1 kg of emitted SO2 in China is equivalent to 1 kg of emitted SO2 in Europe). With the globalization of markets, this represents an erroneous assumption. (ii) Continental scale modeling is problematic since emissions travelling in or from the considered continent are not considered. Even though transboundary deposition represent, in all likelihood, a small fraction of the total emissions, it is possible that acid deposits reach sensitive receiving environments and thus cause important potential impacts. (iii) There is also a lack of coherence between existing midpoint and endpoint terrestrial acidification CFs. Indeed, most midpoint CFs are based on a critical load approach, which, for the time being cannot be linked to a subsequent biodiversity loss modeling step. (iv) Spatially differentiated aquatic acidification CFs based on atmospheric fate, receiving environment fate and effect are nonexistent. Consequently, the potential impacts of acidifying emissions on aquatic environments are currently ignored by LCA case studies. (v) The terrestrial acidification CFs highest resolution is the country level while it is inexistent for aquatic acidification. (vi) While CFs spatial variability is typically evaluated, the CFs inherent uncertainty remains unevaluated. Consequently, the objectives of this project were defined: 1. Create a global scale characterization model for terrestrial and aquatic acidification based on sophisticated environmental models of atmospheric fate, soil sensitivity or receiving environment fate and effects. 2. Generate global scale fate factors enabling transboundary deposition evaluation. 3. Generate terrestrial sensitivity factors compatible with a subsequent biodiversity loss assessment. 4. Develop a model to assess aquatic acidification receiving environment fate which can be combined with existing biodiversity loss dose-response curves. 5. Generate terrestrial and aquatic regionalised endpoint CFs at a global scale. xiii 6. Evaluate the generated CFs spatial variability and the uncertainty to define and generate worldwide regionalised midpoint CFs and support the interpretation of impact assessment results in LCA case studies. To do so, we created a methodological framework i) specifying the required indicators to evaluate the entire cause-effect chain of terrestrial and aquatic acidification at a global scale and ii) listing the required modeling steps to obtain regional atmospheric fate factors, terrestrial sensitivity factors (linking an atmospheric deposition to a change in soil pH), receiving environment fate factors (linking an atmospheric deposition to a change in lake(s) pH) and effect factors (terrestrial and aquatic) to calculate changes in biodiversity loss according to a change in the receiving environment pH. Every development aimed to calculate regionalised endpoint CFs at a global scale and to evaluate both spatial variability and uncertainty. A global scale atmospheric chemistry model was selected to serve as a basis for the generation of atmospheric fate factors. With iterative mass balance calculations, we were able to generate source-receptor matrices whose elements are atmospheric fate factors. The results showed that transboundary deposition typically represented 4% of a continent total deposition. A model simulating soil geochemical processes served as a basis to evaluate steady-state soil chemical indicators. To do so, however, we needed to create a worldwide soil input parameter database. Results showed that pH highlighted expected sensitive areas and demonstrated less variations to soil input parameter uncertainty. A model was created to evaluate worldwide lakes pH. This model considers lakes as a series of interconnected continuously stirred reactor tanks (CSTR). It considers the H+ inputs from the atmosphere, from the surrounding soils and from upstream transport and considers the H+ outputs from downstream transport and evaporation. The terrestrial and aquatic effect factors were calculated from different model regressions, representing different ecosystems, linking pH to vascular plants (terrestrial acidification) or fishes (aquatic acidification) biodiversity loss. These methodological developments resulted in 13104 CFs for both terrestrial and aquatic acidification. Each CF can assess the potential impacts of the acidifying emissions from any worldwide 2ox2.5o grid. CFs can vary, across emission grids, by 5 to 6 orders of magnitude and 8 to 10 orders of magnitude for terrestrial and aquatic acidification, respectively. The endpoint CFs xiv uncertainty was established to more than an order of magnitude (factor 32) and about 2 orders of magnitude for terrestrial and aquatic acidification, respectively. Results also showed the importance of considering transboundary deposition. Indeed, while transboundary deposition only represented a share of 4% of a continent total deposition, the potential impacts of transboundary deposition represented, for an emission location, a share typically equal to 15-17% and 44-58% of the terrestrial and aquatic acidification total potential impacts, respectively. By analysing the contributions of the atmospheric fate, soil sensitivity or the receiving environment fate and effects factors to the endpoint CFs spatial variability and uncertainty, we defined midpoint CFs. These midpoints CFs consider the evaluation of both atmospheric fate and soil sensitivity or receiving environment fate for terrestrial and aquatic acidification, respectively. Indeed, the atmospheric fate factor did little to explain the endpoint CFs spatial variability and effect factors typically contributed to more than 90% of the total uncertainty. We thus concluded that a CF based on soil sensitivity or receiving environment fate represented the best trade-off between maximising environmental relevance and minimising uncertainty. These midpoint CFs also ensure a consistent link to endpoint CFs. The midpoint uncertainty was approximated by a factor 3 and a factor 2 for terrestrial and aquatic acidification, respectively. Furthermore, it was shown that an evaluation based on worldwide, continental or country resolutions CFs created an additional uncertainty equivalent to one or two orders of magnitude depending on the chosen resolution. Conclusively, this thesis presented a worldwide regionalised characterization model which generated CFs capable of greater (comparatively to existing CFs) acidifying emissions differentiation while showing the importance of i) the potential impacts from transboundary deposition, ii) spatial variability and iii) uncertainty for both terrestrial and aquatic acidification. Consequently, this thesis improves the LCIA current practices when assessing the potential impacts related to the acidification impact category.


identifier: Lerebours, J. (2012). Filtrage de contenus numériques connus à haute vitesse optimisé sur plateforme GPU  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Beaucoup de données transitent sur les réseaux informatiques tels que le réseau Internet, et une partie de celles-ci peut être illégale. Les autorités qui contrôlent un réseau donné ont souvent besoin d'empêcher la transmission de certains documents, qu'ils soient dangereux, illicites, ou simplement refusés. Une entreprise pourrait par exemple vouloir empêcher que certains documents sortent de leur réseau interne, de même que des écoles pourraient chercher à filtrer l'accès à des sites sensibles. Nous allons présenter dans ce mémoire un système de détection et de blocage qui vise à repérer le passage de contenus spécifiés sur une connexion réseau. Le but est qu'un utilisateur ne puisse jamais charger ou envoyer une image, un film ou tout autre document référencé comme interdit, quelle qu'en soit la source. Suivant le contexte, il peut être utile de travailler à grande échelle, c'est-à-dire de contrôler le trafic d'une large population avec un système unique et centralisé. On peut alors se placer au niveau des fournisseurs d'accès et de services Internet, ou encore sur la connexion à Internet d'une très grande entreprise. On contrôle ainsi l'ensemble des communications qui entrent et sortent de leurs réseaux sans avoir à modifier la configuration des postes utilisateurs. Le nombre de ce type d'interconnexion est relativement réduit, ce qui simplifie le déploiement. En revanche, les débits en ces points sont très élevés car ils concentrent le trafic de tous les utilisateurs. C'est là qu'apparait le principal défi, car les fibres optiques utilisées aujourd'hui permettent de faire passer 40 à 100 Gb/s, ce qu'un processeur classique d'usage général n'est pas capable de traiter.  Travailler avec de tels débits de données demande ainsi une puissance de de calcul importante, et impose de réduire et optimiser les traitements au maximum. Les approches existantes pouvant filtrer autant d'information se basent souvent simplement sur les descripteurs des communications tels que l'adresse de l'émetteur ou du destinataire. Lorsqu'un site internet est suspecté d'envoyer aux clients du contenu interdit, c'est l'ensemble du site internet qui est bloqué, ou l'ensemble des connexions du client qui sont coupées, ce qui manque de précision.  Dans notre cas, on cherche à bloquer la transmission de certains contenus uniquement, préalablement référencés, en laissant passer le reste du trafic. Il faut donc être capable de repérer ces contenus (images, vidéos, programmes, etc.) au milieu de l'ensemble des données échangées. De plus, dans la plupart des réseaux utilisés aujourd'hui, les données ne sont pas transmises telles qu'elles en une seule fois, mais sont d'abord divisées en plusieurs petits fragments appelés paquets, qui sont transmis indépendamment. Il faut ainsi détecter des extraits des contenus interdits parmi d'autres données fragmentées, ce qui demande une plus grande précision de détection, ceci avec plusieurs millions de paquets de données par seconde. On bloquera ensuite uniquement la connexion qui a transmis cette partie de document. D'autre part, nous cherchons à référencer un nombre important de documents. Le système ne doit donc pas souffrir de ralentissement lié au nombre de contenus à bloquer. Les programmes antivirus ou de détection d'intrusion, qui fonctionnent sur le même modèle d'analyse des données transmises en temps réel, se réfèrent en général à des bases de données de modèles d'attaques qui doivent être compilées avant d'être utilisées. Plus le nombre de règles à tester est important, plus la compilation est difficile et longue. Les systèmes qui se basent sur cette approche sont alors limités à quelques dizaines de milliers de règles. Notre système peut en revanche stocker un nombre théoriquement infini de documents sources, la seule limite étant la mémoire utilisée, sans impact sur les performances, grâce à un format de base de données de contenus interdits très simple et efficace. Pour relever le défi de traiter de très hauts débits sans limiter le nombre de documents référencés, nous avons utilisé l'algorithme de max-hashing. Cet algorithme a été spécialement conçu pour détecter très rapidement des fragments de documents connus, en un minimum d'opérations. On distingue deux phases : le référencement des documents à détecter et bloquer, puis l'analyse en temps-réel du flux réseau. Seule cette seconde partie est étudiée ici, le référencement étant réalisé hors ligne par les autorités qui décident quels documents interdire.  Nous l'avons implémenté sur processeur graphique (GPU) afin de disposer de leur immense puissance de calcul parallèle, très adaptée pour l'analyse des innombrables paquets indépendants à traiter.  ABSTRACT: More and more data are being transmitted every day through computer networks such as the Internet. Part of these data may be illegal and networks authorities often need active filtering so that unwanted contents would not enter the network, or private documents would not leave the intranet. This thesis proposes such a filtering appliance, able to efficiently detect and block known documents passing through a watched connection. The main goal is that users could not load or send any document that would be known as forbidden, regardless of its origin. Working at large scales can be necessary when one wants to control large populations with no need to setup filters on every connected device. One unique and centralized service deals with the whole traffic. Internet services providers are good examples as they agglomerate all their subscribers' communications. They link with each other using quite few interconnection points, which simplifies a global deployment. The first challenge is that these links use fast media with 40 to 100~Gbps bandwidths. Such high data rate cannot be handled by a standard general-purpose processor and filtering that information is therefore very challenging. Previous approaches that are able to filter such amounts of data suffer two different limitations. First, some only use communication descriptors such as emitter and receiver addresses. When a website is suspected to send forbidden information to a network user, either the whole website or the whole user connections are blacklisted as no further investigation is possible. We ought to block specific and previously listed contents only, allowing all harmless data. We therefore need to spot these contents (images, videos, software...) among other flowing data. Moreover, network protocols require splitting sent data into small chunks, namely packets, which are transmitted independently. Thus, we more precisely need to spot extracts of the referenced contents among other fragmented data, at rates of millions of packets per second. Greater precision is required, but we can then block the only flow that is sending the spotted content. The second limitation is the number of referenced documents. We want to detect an important set of different contents and the system cannot loose performances when this set enlarges. Antiviral or anti-intrusion systems, which are based on the same real-time analysis model, often use regular expression patterns as rules. These patterns need to be compiled before they can be used, and large rule sets make compilation slower and harder. Such systems are therefore often limited to several thousand rules. Our system can reference millions of documents with no impact on its computation speed, thanks to our simple and efficient forbidden files database format.