identifier: Elalaoui Ismaili, Zakaria  (2020). Synthétiseur de fréquence pour les applications avioniques SDR: analyse et conception.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
synthétiseur de fréquence
oscillateur local
applications avioniques
PLL
VCO
mélangeur SSB
SDR

abstract:
De nos jours, les synthétiseurs de fréquence sont des éléments primordiaux dans les circuits de transmetteur-récepteur radio. Ces synthétiseurs jouent le rôle d’oscillateur local capable de générer les fréquences porteuses nécessaires pour les opérations de sur conversion et de sous-conversion fréquentielle. Cette thèse portera sur la conception et l’analyse d’une nouvelle architecture de synthétiseur de fréquence à base de boucle à verrouillage de phase (en anglais Phase-locked loop ou PLL) apte à couvrir un large spectre fréquentiel et notamment le spectre utilisé dans les systèmes de communication avionique.

Le synthétiseur de fréquence proposé est apte à générer une bande de fréquence continue qui atteint 10 GHz. Cette large bande de fréquence permet de garantir l’agilité nécessaire pour répondre aux spécifications fréquentielle de plusieurs systèmes, tout en préservant la haute précision et en respectant les contraintes de bruit de phase, du coût et de consommation de puissance. À travers une étude comparative des architectures existantes dans la littérature, des simulations permettent de choisir l’architecture convenable aux applications visées. Par la suite, une analyse générale de PLL est réalisée pour identifier les considérations de conception ainsi que sélectionner les paramètres clés qui répondent aux exigences de la conception de chaque bloc interne du synthétiseur. Un oscillateur commandé en tension (en anglais voltage controlled oscillator ou VCO) convenable à l’application est conçu en prenant en compte les contraintes d’implémentation. Le détecteur de fréquence/phase, la pompe de charge, les diviseurs de fréquence, le mélangeur à bande latérale unique et les multiplexeurs sont aussi conçus en respectant les contraintes en fréquence et les considérations d’implémentation.

Entièrement intégré en technologie CMOS 0,13 μm, le synthétiseur assure une gamme de fréquences comprise entre 100 MHz et 10 GHz. Cette gamme couvre plusieurs systèmes avioniques de communication et plusieurs standards de communication sans fil existants. D’autre part, le VCO utilisé génère une plage d’accord de 6,6 GHz à 10 GHz (40%). Le bruit de phase du VCO, mesuré à 8,3 GHz, est de -107 dBc/Hz à un décalage de fréquence de 1 MHz avec une consommation de puissance mesurée de 3,4mW. Ainsi, la figure du mérite, nommée FOMV, du VCO proposé atteint 205. En outre, le synthétiseur produit un bruit de phase de -106,4 dBc/Hz à un décalage de fréquence de 1 MHz en générant une porteuse à 8 GHz. La bande passante de la boucle (en anglais loop bandwidth ou ωBW ) est de 110 kHz alors que la gigue d’horloge intégrée est de 637 fs avec une puissance totale mesurée de la PLL qui atteint 15,7 mW, ce qui mène à une figure de mérite gigue/puissance, nommé FOMj, de -232.


identifier: Solatiyan, Ehsan  (2020). Mechanical evaluations of reinforced-rehabilitated bituminous pavement layers with geosynthetic materials.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

type:
Mémoire ou thèse
Non évalué par les pairs

subject:
renfort de chaussée bitumineuses
revêtement d'enrobés
matériaux géosynthétiques

abstract: Bituminous pavements cover a large part of the Canada’s roadway network. Traffic and environmental loadings cause distresses and damages in the pavement structure. A traditional approach for pavement rehabilitation is to implement an asphalt overlay on existing deteriorated bituminous pavement at specific times during its service life. However, this approach is somewhat expensive in the long run and not environmentally friendly. On the other hand, several studies indicate that the inclusion of a geosynthetic layer under an asphalt overlay leads to extended pavement service life. Nevertheless, there are still some discrepancies between fields and modeling results, which mainly stems from the fact that the mechanical behavior of reinforced asphalt overlay has not entirely been understood which results in underestimate or overestimate design solutions. This research aims to review different aspects of mechanical interaction between geosynthetic material and bituminous pavement layers and then shed light on the important considerations that need to be considered in the mechanisticbased design approaches to obtain an efficient reinforced-rehabilitated bituminous pavement structure.


identifier: Carrier, Roxanne  (2020). Évaluation de la vulnérabilité sismique des églises en maçonnerie non armée bâties selon le plan Conefroy.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
vulnérabilité sismique
églises
maçonnerie non armée
Conefroy
Québec
modélisation

abstract:
Le Québec est caractérisé par un aléa de moyenne sismicité et les précédents tremblements de terre ont démontré la grande capacité de propagation des ondes sismiques dans le sol. Ces deux facteurs peuvent résulter en des dommages importants aux bâtiments historiques, construits principalement de maçonnerie de pierre. La maçonnerie non armée (MNA) est un matériau reconnu pour sa vulnérabilité aux tremblements de terre, laquelle a été observée durant les séismes historiques au Québec et ailleurs dans le monde. La province héberge environ de 900 établissements religieux (Québec, 2013). Uniquement sur l’île de Montréal, 108 églises en MNA, construites avant 1945, ont été répertoriées grâce à une recherche antérieure. Ces structures sont particulièrement vulnérables à cause de leurs murs élancés comportant de grandes ouvertures. Un examen de l’inventaire a permis de regrouper les églises en fonction du type de façade afin d’étudier leur vulnérabilité structurale aux séismes. Ainsi, les typologies Néo-Roman, Baillargé, Conefroy et Italienne Baroque sont avancées. Ce mémoire se concentre
sur la typologie Conefroy, très présente sur le territoire québécois.

L’évaluation de la vulnérabilité sismique de cette typologie est réalisée avec une étude de cas : l’église Sainte-Famille de Boucherville. L’étude des caractéristiques architecturales et structurales ainsi que des quelques dommages observés lors des séismes passés a permis de constater des similitudes entre les églises du Québec et celles d’Italie. C’est pourquoi l’étude de la vulnérabilité est réalisée en suivant la méthodologie italienne basée sur le principe de l’identification de macroéléments et la reconnaissance de leur mécanisme de rupture suite à un relevé des caractéristiques géométriques et structurales. Or, certaines spécificités des églises Conefroy, tel que l’emplacement du clocher ou les caractéristiques structurales de la toiture, nécessitent de vérifier l’applicabilité de la méthodologie italienne par des analyses complémentaires afin d’approfondir les connaissances sur le comportement sismique de ces églises.

Des modèles numériques 3D sont construits afin de comprendre l’influence de chaque composante sur le bâtiment : les murs de maçonnerie, la tour clocher et la toiture. Des analyses modales, calibrées sur des mesures de vibrations ambiantes, permettent dans un premier temps de reconnaître les principaux mécanismes de rupture. Le renversement du pignon de la façade et des murs latéraux sont les premiers modes de ruptures obtenus à la suite de ces analyses. La comparaison entre les différents modèles 3D a permis de mettre en évidence l’augmentation de la rigidité de la façade lorsque cette dernière est connectée à la toiture. Inversement, la toiture apporte une rigidité plus faible aux murs latéraux de l’église où on observe une diminution de la période de 0,1 seconde seulement. Une interaction entre la tour clocher en bois et la façade en MNA est aussi observée de sorte que ces derniers ont les mêmes modes de vibration. Finalement des analyses temporelles linéaires sont appliquées aux modèles afin d’évaluer la réponse de l’église à un accélérogramme du séisme du Saguenay de 1988 ressenti à Boucherville.


identifier: Mousavi Ojarestaghi, Seyed Sina  (2020). Effect of concrete composition and self-healing method on bond behaviour of cracked normal concrete and self-consolidating concrete.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
adhérence-glissement
béton fissuré
composition du béton
polymère superabsorbant (SAP)
béton autoplaçant
barres d'armature en acier

abstract: The interaction between the steel reinforcing bar and surrounding concrete is one of the most important issues that control the efficiency of the composite behaviour of reinforced concrete structures. Moreover, a good interfacial behaviour between concrete and reinforcement is necessary to achieve durable performance for a reinforced concrete structure. However, most previous studies have focused on the interfacial behaviour of reinforcing bars with the undamaged and intact surrounding concrete. There are only few researches on pre-cracked concrete with different pre-cracking conditions. Moreover, there is a need for developing practical solutions to mitigate interfacial damages due to the pre-cracking phenomenon. Hence, this thesis intends to experimentally and analytically study the reinforcing steel-concrete bond behaviour in presence of the pre-cracking phenomenon. Additionally, a practical approach is studied to determine the self-healing possibility of cracks at the rebar-concrete interaction. Two types of superabsorbent polymers (SAP) are used in concrete mixtures, in dosages of 0.25%, 0.50%, and 1.0%, to accelerate the self-healing process. The used methodology consists of a pre-cracking process along with re-curing periods (healing periods) for healing splitting cracks. Splitting test (Brazilian test) is used to simulate pre-loading and to obtain initial precracking. Crack widths of 0.10-0.50 mm are studied in the present thesis. A total number of 230 pull-out tests are carried out to obtain the rebar-concrete interfacial response in terms of bond-slip envelope curves, allowing examination of the initial bond stress, bond strength, residual bond stress, average bond stress, and energy observed by the bond mechanism. Seven concrete types are tested in the present thesis including normal concrete (NC) with a normal slump, NC with flowing slump, NC with air-entraining admixture (AE), self-consolidating concrete (SCC), SAP modified NC, SAP modified air-entraining NC, and SAP modified SCC. Finally, statistical analyses are performed to better investigate and point out the main findings. Experimental results show that the pre-cracking phenomenon leads to a significant reduction in the bond strength, average bond stress, and residual bond stress. Bond strength degradation is presented as a function of crack width. Results show that crack widths larger than 0.15 mm have a considerable impact on bond properties. Moreover, Results regarding bond strength reduction due to pre-cracking show that compared to NC, SCC is less sensitive to this phenomenon. The higher value of slump flow can be the main reason for this observation. Regarding the self-healing method, results indicate that SAP particles significantly promote strength regaining in the pre-cracked concrete, exposed to wet-dry cycles, especially for a 14 higher dosage of SAP and crack width smaller than 0.30 mm. Air-entraining admixture has a considerable impact on the performance of the self-healing process so that concrete containing AE has a higher healing improvement factor as compared to the non air-entraining mixture. Scanning electron microscopy (SEM) analysis shows a large amount of calcium, oxygen, and carbon in healing products at both internal and external surfaces of cracks. This study would be an initial investigation of the crack-healing in the critical region of the rebar-concrete interaction, which should be continued by further research, notably the effect of AE on the crack-healing of SAP concrete and influence of supplementary cementitious materials (SCMs) on the results of the present thesis. Moreover, results of the present study demonstrate that SAP particles are more efficient in SCC mixtures, as compared to NC mixtures, to heal the initial cracks at the rebar-concrete interface. Moreover, micro-CT scanning results show that the improvement healing factor for self-sealing of cracks is higher than self-healing (strength recovery) one, as more efforts are needed to regain strength recovery than the crack closure.


identifier: Darooeizadeh, Ayeh  (2020). The effect of geometry on mixing efficiency for microfluidic device.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

format: application/pdf application/pdf

subject:
micromélangeur
microfluidique
micromélangeur passif
liposomes

abstract: Micromixers have had a huge growth in past few decades and the fabrication of simple devices leads us to have so many results on different micromixer devices with a variety of techniques. They perform as one of the most important elements in attaining microfluidic system for biological and medical applications. Liposomes are one of the most noticeable nanoparticles used as a carrier in drug delivery for medical applications. The production of liposomes using micromixers and microfluidic devices have overcome so many barriers in this field. Enhancement in mixing process by adding a barrier on the channel walls such as periodic disturbance mixer (PDM), micromixer which we are introducing in this work, would reduce the mixing length and lead us to a higher mixing efficiency. A novel passive-micromixer design has been used for this part of research which named PDM micromixer. A well designed micromixer has rapid mixing and compact size and always must have this in mind that the time of mixing is the key element specially for industrial usage. The shape of the microchannels is another important parameter in designing a micromixer and they are usually connected to a series of planar channel engaging in sudden changes in the flow direction. The two main categories for micromixers are active and passive which for active micromixers an external energy force is applied to perturb the samples and for the passive, the contact area and contact time of the samples are increasing through the configuration of the design. In this dissertation, numerical modeling was used to evaluate and investigate the micromixing process for mixing efficiency through microfluidic devices and a comparison between different geometries which are simple Y and PDM structures, and different sizes of each geometry have been done. A set of controlling parameters have been chosen to identify the optimum geometry and size which were a range of flow rate ratio (FRR) and total flow rate ratio (TFR), and three different aspect ratios for two different designs to see which one has the best efficiency for fluid mixing. As a part of evaluation of the design, a set of measurements for produced liposomes has been conducted to see what the effect of the aspect ratio is, TFR and FRR on the size range of produced liposomes since medical applications have a huge interest in microfluidic devices due to the ability in producing controlled-size liposomes and size distribution.


identifier: Mzoughi, Olfa  (2020). Vers une meilleure maîtrise des flux quantitatifs et qualitatifs dans les infrastructures de gestion durable des eaux pluviales.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
méthode rationnelle généralisée
modèle du réservoir non linéaire
modèle de Green et Ampt
cellule de biorétention
laboratoire expérimental

abstract: La croissance urbaine contribue à l'augmentation des surfaces imperméables, ce qui fait augmenter les volumes et les débits de pointe des eaux de ruissellement ainsi que la charge de la pollution déversée dans le milieu récepteur. À mesure que la couverture des surfaces imperméables augmente avec l'urbanisation, il se crée un besoin croissant d'une gestion efficace des eaux pluviales qui minimise ces effets néfastes. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail. La première contribution vise à jeter la lumière sur les différents paramètres qui interviennent dans le calcul du ruissellement par le modèle du réservoir non linéaire (MRNL) et celui de la méthode rationnelle généralisée (MRG) en vue d'harmoniser les résultats obtenus par chacun d’eux. Le modèle Green et Ampt a été introduit dans la méthode rationnelle pour simuler le comportement réel des surfaces perméables en temps de pluie. Les résultats obtenus ont montré la capacité prédictive considérable de la MRG. Les erreurs relatives pour l’estimation du débit maximal de ruissellement par rapport au débit mesuré sont de 7.7% pour la MRG et de 18.8% pour le MRNL. La deuxième contribution de notre recherche consiste à concevoir un laboratoire expérimental pour analyser la performance des cellules de biorétention. Différentes compositions et configurations des cellules de bioretention ont été proposées, afin d’analyser d’une façon versatile leur fonctionnement. L’infiltration dans ces cellules a été simulée à l’aide du modèle de Green Ampt développé dans la première partie de notre recherche. Par la suite une approche de suivi est suggérée afin de surveiller et évaluer les performances de ces systèmes de biorétention aussi bien en matière de réduction du débit et du volume de ruissellement qu’en abattement de la charge polluante.


identifier: Touzain, Aurélien  (2020). Détection automatique des fuseaux de sommeils en magnétoencéphalographie et correspondance avec l’électroencéphalographie.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
électroencéphalographie
magnétoencéphalographie
fuseaux de sommeil
multimodalité

abstract:
Les fuseaux de sommeils sont des bouffées d’oscillation transitoire. Ils se manifestent dans le cerveau à une fréquence comprise entre 10 et 16 Hz, durent entre 0,5 et 3 secondes et sont générés au cours du second stade du sommeil lent. La détection des fuseaux est faite visuellement sur les signaux EEG par des experts du sommeil. Des détecteurs automatiques ont été proposés pour assister les experts, mais l’identification visuelle reste la référence en matière de marquage. Cependant, des recherches récentes indiquent qu’une activité similaire aux fuseaux est détectable sur les signaux MEG. Or, le marquage visuel des fuseaux sur la modalité MEG ne fait pas consensus auprès des experts du sommeil.

Le but de ce mémoire est d’implémenter un détecteur automatique de fuseaux de sommeil qui utilise la multimodalité EEG-MEG. Certaines informations contenues par le signal MEG ne sont pas visibles sur le signal EEG et réciproquement. Grâce à la fusion des modalités, il devient possible d’utiliser des critères de concordance intermodaux pour catégoriser les fuseaux de sommeil. Dans ce travail, on s’intéresse à trois catégories : les fuseaux concordants sur les deux modalités (MEEG) et les fuseaux non concordants sur l’EEG (L-EEG) ou sur la MEG (L-MEG).

L’analyse multimodale s’est faite sur 13 canaux EEG et 269 capteurs MEG. La topographie de densité des fuseaux détectés en MEG montre que les fuseaux MEEG se situent dans la région frontale, tandis que les fuseaux L-MEG sont diffus à travers le cortex. De plus, les fuseaux qui ont un pic d’amplitude élevé se situent dans les régions temporales, occipitales et pariétales.

Les fuseaux L-MEG, malgré l’absence de concordance temporelle avec les fuseaux de l’EEG, sont liés en amplitude aux signaux EEG avec une activité qui se démarque du signal ambiant. Mais ce résultat n’est pas réciproque pour les fuseaux L-EEG qui montrent, en moyenne, une activité très faible sur les signaux MEG. Les deux modalités, EEG et MEG, possèdent des fuseaux qui leur sont propres.

En conclusion, l’utilisation d’un détecteur de fuseaux qui fonctionne avec les signaux EEG et les signaux MEG contribue à la production de résultats inédits et propres à l’utilisation de la multimodalité.


identifier: Pizarro-Chong, Ary Druva  (2021). Development and validation of the control loops for the haptic interfaces of a standard manual wheelchair simulator.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
robotique de la réadaptation
interface haptique
fauteuil roulant
simulateur

abstract:
There are about 47,000 manual wheelchair (MWC) users in Quebec, and 155,000 in Canada. Research indicates that 30 to 70% of them begin feeling chronic pain in the upper limb joints within the first five years of use. To investigate this issue in the laboratory, our team has developed a manual wheelchair simulator that uses instrumented wheels as force sensors. These wheels replace the wheelchair’s original wheels, thus limiting the degree of realism of the simulator.

The objective of this work was to increase this degree of realism, by replacing the force sensors used currently. To this effect, a six-axes force cell was placed underneath the wheelchair. An admittance control loop was developed to control the moment-velocity interaction of the wheelchair’s rear wheels. Data gathering was conducted with one healthy subject to evaluate the level of realism of wheelchair propulsion. On both sides, maximum propulsive moments Mzmax (Nm), maximum applied force FTOTmax (N), push time PT (s) and recovery time RT (s) were calculated and compared between three conditions: on the ground (OG), on the simulator controlled by the instrumented wheels (SW) and on the simulator controlled by the force cell (FC).

Results confirm the research hypotheses: the control loop is stable, meaning that the real speed follows the desired speed. Comparison of biomechanical parameters is as follows: regarding Mzmax, the difference between conditions OG and FC is small, whereas that between OG and SW is large. With regards to FTOTmax and TP, differences between OG and FC, and between OG and SW are both large. For TR, differences between OG and FC and between OG and SW are both small.

In conclusion, it seems that propulsion on the simulator controlled by a force cell may be slightly closer to propulsion on the ground than that on a simulator controlled by instrumented wheels. This could be explained by the fact that the movement of the trunk of the user affects the dynamics of the wheelchair-user system. This effect is captured by the force cell, but not by the Smartwheels.


identifier: Belkajja, Ismail  (2021). Évaluation de la valeur ajoutée des outils technologiques en construction - cas d’un système de projection laser.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
valeur ajoutée
impact des outils technologiques
chantier de construction
technologie de l’information
projection laser

abstract:
Bien que les technologies de l'information connaissent une évolution exponentielle, l'industrie de la construction a pu se permettre une multitude de solutions technologiques malgré sa nature complexe. Relever le défi de l'amélioration de la productivité de travail sur le chantier nécessite non seulement des performances managériales élevées, mais également de hautes performances des matériaux et des équipements pour réaliser les travaux. Plusieurs startups spécialisées dans l'innovation des technologies de l'information et de l'automatisation se sont émergées dans l’industrie de la construction pour innover des Outils Technologiques d'Aide à la Construction (OTAC). Mais ces startups ont du mal à évaluer la valeur ajoutée de leur prototype avant ou pendant le développement faute de véritable terrain de test.

Ce travail de recherche propose une méthode dédiée aux startups et aux entreprises qui développent des OTAC pour permettre d'évaluer leur prototype. Et cela, à travers une caractérisation de la manière traditionnelle à partir des données qualitatives provenant des gens du métier. Ainsi que par une compréhension du processus de travail innovant. Cette méthode proposée a été conçue en suivant les orientations de la recherche en science de design, elle comporte quatre étapes qui permettent d’évaluer la valeur ajoutée d’un outil technologique innovant avant ou durant son développement. La méthode dispose de deux activités interétapes de validation des résultats partiels. Une étude de cas a été menée pour l’évaluation ex post de la méthode proposée.

La méthode proposée peut constituer un support aux développeurs des outils technologiques dédié à la construction. Elle leur permettra d’améliorer les fonctionnalités et d’adapter les produits aux conditions de la situation d’utilisation prévue. Ainsi, le potentiel d’utilisation des outils technologiques en chantier s’avère pratiquement valorisé comme résultat de notre étude de cas, ce qui confirme davantage la capacité des TI à augmenter la productivité et à optimiser les erreurs dans l’industrie de la construction et cela en démontrant plus d’efficacité en coordination.


identifier: Saadati, Yousef  (2020). Comprehensive study of unidirectional flax/epoxy composites; an evaluation of material properties and fracture behavior.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: composites renforcés de fibres de lin

subject: propriétés matérielles

subject: énergie de fracture interlaminaire

subject: résistance à la fracture translaminaire (taux de restitution d’énergie en rupture de fibres en mode I)

subject: thermographie infrarouge

subject: détourage

subject: méthode des éléments

abstract:
Fiber-reinforced polymer composites (FRCs) are extensively used in various commercial applications such as aerospace, transportation industry, recreational and sporting goods due to their enhanced properties. However, they are costly and are not eco-friendly. Offering competitive properties at a lower cost and improved sustainability, flax fiber-reinforced epoxy composites (FFRECs) are recognized as an attractive alternative to glass fiber polymer composites for various applications.

FFREC parts are produced to their final geometry; still, some machining processes are often unavoidable for technical and quality purposes. However, machining of FFRCs remains challenging due to their heterogeneity and anisotropic nature that induce workpiece damages such as delamination and generate inferior surface finish. In- depth knowledge of their machining processes is vital for reducing these damages and improving their machining quality. Edge trimming is frequently used for geometrical corrections of FRCs; however, only few experimental studies have addressed its application to FFRECs. The complexity of their cutting process requires involving the finite element method (FEM) to study it, but it is impossible due to a lack of adequate material properties. Therefore, this study aims at a comprehensive evaluation of unidirectional (UD) FFRECs to provide their essential material characteristics for finite element modeling of their edge trimming process.

Accordingly, first, UD-FFRECs with unique specifications were molded via resin transfer molding (RTM). Then, test specimens were prepared and tested according to the adapted standard test procedures, initially developed for synthetic FRCs.

Physical properties, including density, specific heat capacity, and thermal diffusivity/thermal conductivity, were determined according to standard test methods.

Strength/stiffness properties under tension, compression, shear, and flexural loading, in longitudinal/transverse directions were evaluated following standard test methods. Also, the failure mechanisms were investigated via fractography. The results are in good agreement with those of the literature, when available, while they mainly show the specific behavior of UDflax composites subject to different solicitation modes.

Proper test specimens were designed and tested for the interlaminar fracture energies in Mode I, Mode II, and Mixed-Mode I/II. The tests were carried out following ASTM standards. The results are in good agreement with literature data for similar cases, where available.

For UD laminates, the application of the conventional test methods for translaminar failure mode is challenging; also, there is no standard method for testing them in compression. Two methodologies were employed, along with an investigation of the fracture behavior and viability of the standard test procedures for FFRECs. First, the composite was tested for translaminar fracture toughness in tension according to the existing ASTM E1922. Then, employing an Infrared Thermography (IRT)-based methodology, as well as ASTM D5045, the translaminar fracture energy of UD-FFRECs in tension and compression was determined. For tension tests, the results of IRT agree with those of ASTM, whereas compression tests showed a significant discrepancy, indicating the inappropriateness of IRT for these tests.

Overall, for a UD-FFREC with unique quality, an in-depth knowledge was developed, and a full set of precise and reliable material properties and fracture energies, fulfilling FEM requirements were generated.


identifier: Aubert, Benjamin  (2020). Reconstruction 3D automatique de la colonne vertébrale à partir de radiographies bi-planaires EOS.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
reconstruction 3D
colonne vertébrale
stéréoradiographie EOS
recalage 3D/2D
apprentissage automatique

abstract:
La modélisation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale permet une meilleure compréhension et une quantification des déformations rachidiennes, particulièrement pour la scoliose qui présente des déformations 3D du rachis et du tronc. Des algorithmes de reconstruction 3D depuis deux radiographies bi-planaires calibrées (frontale et latérale) sont d’ores et déjà mis en oeuvre et permettent d’extraire des paramètres cliniques 3D/2D précis depuis les modèles 3D reconstruits. Cependant leur utilisation en routine clinique est freinée par le temps de reconstruction jugé trop élevé (de 10 à 40 minutes), et les manipulations requises pour l’ajustement des modèles dans les images sont complexes et très subjectives. Dans ce projet de doctorat, nous utilisons des algorithmes d’apprentissage automatique et de traitement d’image afin de proposer une reconstruction 3D du rachis tout automatique.

Tout d’abord, une détection globale du rachis est réalisée grâce à la combinaison d’un modèle déformable de colonne (composé de 23 vertèbres allant du niveau C2 au plateau sacré), et des réseaux neuronaux à convolution (CNN). Le modèle déformable de colonne, basé sur une analyse en composante principale, permet de générer des modèles 3D réalistes de vertèbres depuis très peu d’information identifiée dans les images. Le modèle statistique et les CNNs ont été entrainés à partir d’une base de données contenant 799 patients atteints de scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) ainsi que 553 patients adultes (dont 65% atteints de scoliose, 3% avaient des déformations dégénératives et 32% était sans pathologie). Les positions des centres des corps vertébraux détectées par CNN servent à déformer graduellement le modèle déformable de colonne dans les images. Le modèle a également un rôle de régularisation statistique de la position des points en utilisant ses modes de déformations admissibles. Une phase de recalage 3D/2D raffine ensuite localement les premiers estimés des modèles 3D. Le recalage intègre une étape de traduction d’image à image utilisant des réseaux antagonistes génératifs afin de convertir l’image radiographique originale vers le même domaine que l’image virtuelle générée depuis les modèles 3D, ce qui permet une mise en correspondance robuste des images sources et cibles dans le recalage.

Une évaluation sur 60 patients a été conduite pour la validation de la méthode. La base de données contient 40 patients SIA (âge moyen de 14 ans, angles de Cobb compris entre [32° - 102°]), et 20 patients adultes scoliotiques (âge moyen de 40 ans, angles de Cobb compris entre [13° - 56°]). Les comparaisons entre la reconstruction automatique et une référence « bronze standard », construite depuis les reconstructions de trois experts différents, ont révélé des erreurs moyennes de 1.7 mm et 1.3 mm respectivement pour la localisation 3D des pédicules et des milieux des plateaux. Pour les paramètres cliniques extraits des reconstructions 3D (six paramètres de cyphoses/lordoses, trois paramètres d’angle de Cobb et de rotation vertébrale axiale, cinq paramètres pelviens, et sept paramètres d’alignements), le taux de succès (pourcentage de mesures automatiques directement utilisable en clinique, i.e. dont l’erreur est comprise dans l’intervalle de confiance des experts) est de 82% et 84% respectivement pour les adultes et les SIA. Par exemple, la méthode automatique fournit l’angle de Cobb thoracique avec une erreur moyenne de 0.8 ± 2.9° (SIA) par rapport aux experts. Le temps de calcul (1’30” en moyenne pour la colonne complète) est négligeable pour le clinicien, puisque la modélisation 3D peut être démarrée sans intervention humaine à chaque nouvelle acquisition.

La méthode développée va considérablement diminuer la supervision et le temps nécessaire pour effectuer la reconstruction 3D du rachis afin d’aider à démocratiser son utilisation en routine clinique.


identifier: Ghaderi, Hamidreza  (2021). An open-source PACS model for university hospitals.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
PACS
logiciel libre
critères d’évaluation PACS
bus d’interopérabilité SOA
SIH
SIR
FIHR
HL7
hôpital universitaire

abstract:
Managing the increasing amount of data that is produced in healthcare centers is a challenging problem. Picture Archiving Communication System (PACS) helps healthcare managers to transmit, store, archive, and access medical imaging data. However, PACS are not readily affordable for all hospitals, especially those in developing countries. Using an open-source PACS could be a viable solution but selecting one and integrating it with other hospital information systems is a challenging problem for hospitals. Open-source PACS are different from each other in terms of software design, internal architecture, interoperability, support, and user functionality. Thus, in order to have a better understanding of available open-source and be able to select one, it is critical to have good selection criteria. In this research, firstly, four criteria are defined as the required characteristics of an open source PACS to be used in a university hospital, which are following:

- criteria 1: community activities;
- criteria 2: licensing models;
- criteria 3: activity, support, and documentation;
- criteria 4: enterprise functions and software characteristics.

These criteria are used to assess sixteen open-source PACS, such as available support from the software creator, future development and distribution possibility, and implemented and developed functions. To achieve this assessment, PACS project source code repositories, PACS websites and research papers are used to collect data for this evaluation. The result of the assessment shows that: Orthanc, DCM4CHE, DCMTK, Dicoogle, and MRIdb are the topranked open-source PACS using these criteria. Orthanc is then selected in this research to conduct an interoperability case study for the Donka university hospital in Guinea, Africa.

The main components of a modern hospital information systems for radiology are the hospital information system (HIS), the radiology information system (RIS), a PACS, and a radiology image viewer. The Donka hospital management has already acquired an HIS named eHospital which includes all the modern hospital functionality, including an RIS. But the hospital administration did not plan the acquisition of a commercial PACS required to store, archive and access the many imaging files of the hospital. In this research, the case study looks at the use of a middleware between the HIS/RIS and the open source PACS Orthanc. The middleware chosen for the case study, named Mirth Connect, is a mature open-source project which facilitates interoperability and data exchange of heterogeneous IT systems to allow them to exchange messages between each other using different exchange format, like FIHR/HL7 which is very popular in the healthcare industry.

A seamlessly extensible interoperability model is proposed to interconnect the SIH/RIS eHospital and the open source PACS Orthanc. The main components involved in the exchange of data are: the HIS/RIS, Mirth Connect, the PACS Orthanc, and image viewer, and other future interfaces. In this model, different scenarios are defined as routine and required data transactions between mentioned components. The six data transactions scenarios experimented are:

1. HIS and PACS (two scenarios);
2. Modality and PACS (two scenarios);
3. PACS interface and Mirth Connect;
4. Dashboard and Mirth Connect;
5. Image viewer and PACS;
6. TensorFlow model and PACS.

Each of these transactions is explained and implemented with the assistance of Mirth Connect for the Donka university hospital. Each of the transactions going through the Mirth Connect SOA communication bus is explained and implemented to demonstrate how to integrate Orthanc PACS at the Donka University Hospital as well as the use of the FIHR / HL7 communication protocol allowing the future interoperability of any future component.


identifier: Maurel, Pierre  (2020). Déformation plastique sévère des surfaces d’alliages à faible densité par grenaillage ultrasonique : gradients de microstructures, comportements en fatigue et en tribologie.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
grenaillage ultrasonique
SMAT
déformation sévère de surface
tribologie
frottement bille-plan
fatigue en flexion rotative
titane
aluminium
température cryogénique

abstract:
L’impact du grenaillage ultrasonique sur des alliages de titane et d’aluminium est étudié à température ambiante et à température cryogénique. Ce procédé peut aussi s’appeler attrition mécanique ultrasonique de surface (SMAT). La résistance en fatigue ainsi que le comportement tribologique sont étudiés afin de mieux comprendre les avantages et inconvénients liés à ce procédé.

Deux alliages de titanes ont été choisis : un titane pur complètement a et un titane B-métastable sous sa forme complètement B. Ce choix permet de corréler l’influence de la microstructure initiale sur le traitement de déformation plastique sévère et sur les propriétés finales. Le titane B-métastable est sensible à la transformation martensitique induite par déformation ce qui permet d’explorer la possibilité d’introduire de la martensite à la surface grenaillée pour lutter, par exemple, contre la propagation de fissures courte lors des essais de fatigue. Le grenaillage à température cryogénique dans ce cas permet d’améliorer le déclenchement de la transformation martensitique. En plus d’aider la transformation martensitique, la température cryogénique permet d’augmenter la limite élastique des alliages lors du traitement, ce qui a pour impact de réduire le flux de matière à la surface grenaillée, améliorant ainsi l’intégrité de surface et entrainant un impact sur les propriétés tribologiques et en fatigue.

Deux alliages d’aluminium à durcissement par précipitation ont également été étudiés : le 2024 et le 7075. Cette étude sur les aluminiums a pour but de comparer l’impact du grenaillage ultrasonique quand il est employé avant ou après le revenu de précipitation. Les dislocations produites lors du grenaillage ultrasonique servant de sites de nucléation préférentiels, l’objectif est d’explorer la possibilité d’améliorer (en termes de dureté par exemple) le revenu de précipitation en affinant la taille des précipités et en augmentant leur densité. L’emploi de deux séries d’aluminium devrait permettre de comparer l’effet du traitement sur les deux compositions différentes. De plus, ces deux alliages présentent des différences notables en termes de sensibilité aux défauts, ce qui permet d’étudier l’impact de l’intégrité de surface après grenaillage ultrasonique sur les propriétés mécaniques. L’étude des comportements tribologiques et en fatigue permet de tirer des conclusions quant à l’efficacité de ces traitements face à des conditions d’utilisation standards.


identifier: Delpla, Victor  (2021). Optimisation des chaînes d’approvisionnement en boucle fermée dans un contexte d’économie circulaire à l’ère de l’Industrie 4.0.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: chaîne d’approvisionnement en boucle fermée

subject: internet des objets

subject: économie circulaire

subject: industrie 4.0

abstract:
L’Économie Circulaire est une nouvelle conception de l’économie répondant au problème de l’appauvrissement des ressources naturelles. Pour rester compétitif économiquement et répondre aux nouvelles attentes écologiques des consommateurs, les chaînes d’approvisionnement en boucle fermée (closed-loop supply chains, CLSC) sont une solution concrète pour l’industrie manufacturière avec la réutilisation les produits en fin de vie (end-oflife, EOL) et le recyclage des matières premières.

Néanmoins, les CLSC sont difficiles à mettre en place à cause de la difficulté à récupérer de manière optimale les produits EOL étant donné les incertitudes qui existent sur leur condition après leur utilisation. Ces incertitudes complexifient la gestion des CLSC en empêchant de planifier efficacement les flux. Les technologies de l’Industrie 4.0 comme l’Internet des Objets (IoT) peuvent les réduire avec la collecte de données sur son état de dégradation tout au long du cycle de vie du produit. Le choix du traitement de récupération du produit et de ses composants en serait alors facilité et aucune étape d’inspection ne serait nécessaire. Les produits EOL récupérés pourraient aussi être sélectionnés de manière optimale.

Ce travail propose un modèle de CLSC qui optimise les flux pour maximiser le profit généré par la réutilisation des produits EOL d’une entreprise manufacturière en utilisant l’IoT. On utilisera un modèle en programmation linéaire sur LINGO considérant plusieurs produits modulaires pour étudier les retombées d’une telle CLSC. L’apport principale de ce mémoire est donc de montrer les potentiels gains de la mise en place d’une CLSC dont la récupération et le choix de traitements des produits EOL sont dirigés par l’IoT. Ainsi, dans le cas où les produits refabriqués représenterait 40% de la demande total, on peut atteindre une augmentation de près de 48% du profit grâce au modèle de CLSC présenté. Ce travail montre aussi la compatibilité entre les intérêts économiques et une consommation plus raisonnable des ressources naturelles, moins exploités grâce à la récupération des produits EOL.


identifier: Beauchamp, Charle  (2020). Les environnements de données communs (EDC/CDE) comme outils d'intégration de l'information dans les grands projets de construction.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: environnement de données commun

subject: collaboration

subject: travail collaboratif assisté par ordinateur

subject: projets de construction

subject: gestion de projet

abstract: L’industrie de la construction est un secteur fragmenté et complexe qui nécessite la participation de nombreuses parties prenantes, ce qui rend la réalisation des projets difficile. Ainsi, le succès des projets de construction repose en grande partie sur une collaboration efficace, y compris la communication et la gestion de l’information. De nos jours, les technologies de l’information sont utilisées pour faciliter les communications, et les environnements de données communs (CDE), définis comme les espaces centraux pour collecter, distribuer et contrôler toutes les informations tout au long du cycle de vie du projet, sont considérés par beaucoup comme la solution ultime pour la gestion des informations des projets. Le concept de CDE basé sur la modélisation des informations du bâtiment (BIM) étant relativement nouveau, seules quelques études se sont concentrées sur le développement d’une bonne compréhension de ce qu’est un CDE et de la manière dont il devrait être structuré. Cependant, il n’y a pratiquement aucune recherche basée sur le point de vue des praticiens de la construction. La recherche présentée dans cet article explore la perception des praticiens impliqués dans les grands projets de construction industrielle dans un effort pour fournir une bonne compréhension de leurs pratiques et attentes concernant l’utilisation du CDE. Les résultats montrent que si la moitié des personnes dans ce domaine savent ce qu’est le CDE, toutes utilisent déjà des systèmes de gestion de l’information dans leurs projets. Les types de structures, matériels et logiciels sont discutés, et il est clair que le succès de l’intégration dépend non seulement de la technologie, mais aussi de la discipline et de l’engagement de tous les participants tout au long du cycle de vie de tout artefact construit.


identifier: De Brito Siqueira Tagawa, Gitsuzo  (2021). CFD investigation of iced-wing performance degradation using DDES with the Spalart-Allmaras extension to consider roughness effects.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: simulation de tourbillons détachée retardée

subject: DDES

subject: rugosité

subject: turbulence

subject: adaptation de couche de cisaillement

subject: profil aérodynamique glacé

subject: dégradation des performances

abstract: Ice accretion can reduce the efficiency of aircraft lifting surfaces, which increases the cost of flight and risk of accidents. Experiments proved that even the onset of icing (increased roughness) could cause a reduction of 25% in the maximum lift, and an increase of 90% in drag of an aspect ratio 6 wing. In order to better represent rough surfaces and improve the fidelity of CFD simulations, different roughness implementations have been proposed, especially for the well-established and validated Spalart-Allmaras (SA) turbulence model. In addition, horn-like ice formation results in massive flow separation, from which, the physics of the energetic eddies in the outer layer cannot be accurately modeled by RANS. Therefore, in order to investigate roughness effects for separated flows, we propose to numerically estimate the aerodynamic performance degradation of a three-dimensional post-stall-angle rough iced wing using a hybrid model (RANS/LES) called DDES including RANS with roughness implemented. To accelerate the unlocking of the Kelvin-Helmholtz instability, the Shear-Layer Adapted (SLA) Sub-Grid length Scale (SGS) is used in combination with the lowdissipation scheme HR-SLAU2. In the first step, the implementation of the SA roughness extension is verified and validated using smooth and rough-surface study-cases. Then, smoothsurface study cases with massive flow detachment are evaluated. The new method is then used for DDES estimations of massive-separated flows over rough-surface study cases are presented. In the first study case, the flow over a rough backward facing step is evaluated. Results show that, the resistance caused by roughness produces three main effects. First, it reduces the region of maximum reverse flow after the step. Second, the reverse flow region is formed 42% farther downstream. Third, the reattachment of the flow occurs 12% farther downstream as compared to results generated with the same model over a smooth surface. In the second study case, the flow over a rough iced model 5-6 airfoil at an angle of attack of 8 degrees is studied. Although the DDES presented improved estimations as compared to RANS, no significant roughness effects were noticed on the flow over a model 5-6 airfoils with a horntype ice accretion. The difference seen between the iced airfoil and the BFS results, was caused by two reasons. First, the small length of the roughness distribution, which is only along the ice surface. Second, roughness effects were weaker than the great adverse pressure gradient created just after the tip of the horn ice, which “overshadowed” any roughness effects.


identifier: Assid, Morad  (2021). Contrôle et planification de la production intégrant la reconfiguration dynamique des installations dans un contexte de logistique inverse.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
planification de la production
politique de commande
systèmes de production
refabrication
mise en course
simulation
optimisation

abstract:
Cette thèse traite de la planification et du contrôle de la production pour les systèmes hybrides de fabrication-refabrication utilisant à la fois de la matière première et des produits d’occasion récupérés dans un environnement dynamique et stochastique. Un tel système apporte une plus grande complexité managériale par rapport aux systèmes de fabrication traditionnels, en particulier avec la présence d'événements aléatoires, souvent négligés dans la littérature, tels que la panne des installations de production et les problèmes de de délai, de quantité et de qualité dans l’approvisionnement de matières premières et de retours. Ce projet de recherche est motivé par de multiples rapports soulignant la nécessité de développer des politiques de commande intégrées qui offrent un contrôle efficace de cette classe de systèmes. Les contributions de cette thèse sont présentées en quatre phases.

La première phase traite le problème de planification et de contrôle de la production pour les systèmes hybrides non fiables composés d’installations séparées qui consacrent chaque processus de production (fabrication ou refabrication) à une installation distincte. Des éléments clés de cette classe de système comme l’approvisionnement en matières premières et en retours, l’option de rejet des retours et la dynamique et le dimensionnement des stocks sont considérés. Une approche combinant une revue critique des travaux existants de la littérature et une technique d’optimisation basée sur la simulation est appliquée pour déterminer une structure efficiente des politiques de commande et optimiser leurs paramètres en matière de coûts.

La deuxième phase étend le travail précédent pour les systèmes hybrides non fiables constitués d’installations communes qui partagent les activités de fabrication et de refabrication. Dans ce contexte, le rôle des opérations de setup pour passer d’un mode de fabrication au mode de refabrication et vice versa devient crucial. La même approche que celle adoptée dans la première phase a été appliquée pour établir une meilleure structure des politiques de commande en matière de coûts comparativement à celles trouvées dans la littérature. Une analyse de notre système a été également effectuée pour fournir une meilleure compréhension de l'influence du setup sur sa performance.

La troisième phase s’inscrit dans la continuité des deux travaux précédents en considérant des systèmes hybrides non fiables avec une combinaison d’installations séparées et communes. Un modèle stochastique dynamique est proposé. Les conditions d'optimalité développées sont résolues numériquement pour déterminer la structure des politiques de commande optimisant conjointement les taux de production des installations de fabrication et de refabrication et le processus de prise de décision de setup en matière de coûts.

La quatrième phase intègre la variabilité de la qualité des retours dans le problème de planification et de contrôle de la production pour les systèmes hybrides de fabrication-refabrication non fiables. Le système considéré est composé d’installations de production séparées et communes. Les deux sont capables de produire une proportion de produits finis non conformes aux exigences des clients. Cette proportion dépend de la qualité de la matière première et de la catégorie de retours utilisés dans le processus de production. Deux catégories des retours sont considérées et sont classées selon leur temps de refabrication et la proportion des unités défectueuses. Un modèle d'optimisation stochastique a été développé en tenant compte des décisions de fabrication, de refabrication et de setup qui est nécessaire pour changer le mode de production et la catégorie de retours adoptés. Une approche de résolution combinant des méthodes numériques, la simulation et des analyses statistiques a été par la suite utilisée pour déterminer la structure optimale des politiques de commande intégrées et optimiser leurs paramètres en matière de coûts.

Les travaux de cette thèse apportent des solutions à une classe de problème de planification et de contrôle de la production des systèmes hybrides de fabrication refabrication. Ils développent des structures efficientes des politiques de commande de production et offrent une meilleure compréhension du comportement des systèmes hybrides non fiables. Des exemples numériques et des analyses de sensibilité approfondies sont effectués à titre d'illustration afin de valider les structures des politiques de commandes obtenues. De plus, cette thèse emploie une approche de résolution qui répond mieux aux préoccupations des gestionnaires de production en permettant de contrôler efficacement de tels systèmes complexes.


identifier: Elmughrabi, Walid  (2021). Construction supply chain planning: the value of collaboration and integration.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: chaîne d'approvisionnement

subject: logistique de construction

subject: modèles d'inventaire

subject: collaboration

subject: modélisation des informations du bâtiment

abstract:
In the construction sector, improving logistics efficiency is essential to implement supply chain management (SCM). Based on the literature review, we found the main decisions currently focused on construction logistics and SCM. These decisions are defined for three critical phases of a supply chain project: preparation, planning and design, procurement, and execution. This thesis focuses on developing logistics in construction while considering decisions making to construction logistics for modeling and making the best use of supply chain processes in the construction industry. A systematic literature review methodology is utilized to identify the present focuses and discuss future decision-making directions in construction supply chain management (CSCM). The results show that, at present, the CSCM applications are still focusing on material and resources management with the internal supply chain (SC) integration. Strategic decisions related to building partnerships, IT-based planning, and logistics-based planning are not conducted at the early planning and design phase. For future CSCM application trends, a framework is proposed to leverage the three essential points, the collaborative planning and design with advanced techniques, procurement, and construction and delivery of the project.

Besides, Academic and practitioners’ interest in Construction Supply Chain Management (CSCM) has increased recently with the theoretical development and implementation of Building Information Modelling (BIM). BIM provides an advanced construction project design, but it assists stakeholders in the management of the construction supply chain (CSC). Inventory management is one of the essential pillars of CSCM. To consolidate, evaluate and develop the scope of future research opportunities by identifying research gaps in this field, the main objective of this chapter is: First, it offers a literature review on inventory management in the context of the CSC. Second, it provides a conceptual framework map and consolidates the research in this field, composed of three parts. The first one is related to the nature of data and information necessary to implement efficient inventory policies. The second is associated with the extended collaboration between CSC stakeholders for inventory optimization in CSC. Finally, the third part relates to the uncertainty and risks to obtain realistic and applicable inventory policies. The review chapter is useful for both practitioners in CSCM and academics as it outlines the diverse knowledge of research in this area.

Therefore, we propose an integrated model for collaborative construction supply chain (CSC) planning that deals with the integrated problem of project scheduling and material ordering. The main objective is to achieve more coordination and, therefore, to reduce the total cost of the CSC. More specifically, we consider a two-echelon CSC composed of a manufacturer, a warehouse, and multiple construction sites where multiple independent construction projects are planned. The projects need various materials provided by the same manufacturer with a limited capacity. The starting time of each activity is subject to the availability of materials in the construction sites. A mixed-integer linear programming (MILP) model is proposed to reduce the total SC costs while collaboration between contractors is possible. The model was implemented using the IBM ILOG CPLEX Optimization Studio. The proposed model is analyzed through a numerical study to show the benefits of collaborative planning in construction project management. The decision model also helps find practical construction projects’ sequences and suitable materials ordering, manufacturing, and inventories plans for SC participants.


identifier: Forcier, Louis-Charles  (2020). Development and validation of tools for the structural design of wind turbine blades.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
pales d’éolienne
matériaux composites
conception structurale
éléments finis
poutres à paroi mince
chargements

abstract:
The design of a wind turbine is an iterative process in which a solution is refined from the preliminary stage to the final concept. The objective of this thesis is to develop and evaluate certain tools used during the different steps of the wind turbine blade structural design process.

A first aspect that is treated in this thesis is the question of the transfer of loads obtained from an aeroelastic model of the wind turbine to a three-dimensional shell finite element model of the blade. The principal difficulty encountered results from the fact that the loads have to be transferred from a model where the blade is idealized as a beam to a three-dimensional model. To manage this difficulty, a kinematic model of a generic wind turbine was built. This model helped develop a method to apply gravitational and inertial loads to the three-dimensional finite element model of a blade by defining accelerations and rotations about given axes. Aerodynamic loads are applied using RBE3-type elements. The developed kinematic model also allows to obtain analytical equations to compute of gravitational and inertial loads when the wind turbine operating parameters (dimensions, velocities, accelerations) and blade mass parameters are known.

A second aspect dealt with in this thesis is the choice of a structural model for the wind turbine blades dimensioning and validation. Four models of different levels of complexity have been used to model the blades of the Wind Energy Strategic Network’s (WESNet) 10 kW wind turbine. From the simplest to the most refined, these models are: a beam model where the loads are supported by a cross section idealized as two rectangular strips representing the spar caps; a beam model based on the strength of materials theory adapted for non-homogeneous thin-walled cross sections; a beam model based on thin-walled cross-sectional finite elements; and a shell finite element model of the whole blade. The comparison of the results from these models with different experimental data sets shows that the first model gives conservative results for stresses, strains and blade strength. These results have also enough precision to allow this model to be used for the feasibility evaluation of a blade geometry. The second and third models show a level of precision that allows their use for preliminary dimensioning and validation in regards to blade deflection, stresses, strains, strength and natural frequencies. These last two models are also the ideal tools for the computation of the blade cross-sectional properties needed for wind turbine aeroelastic models. Finally, the shell finite element model is required for the final blade dimensioning and validation because it is the only one that is able to compute correctly the complex stress field in the region of the blade where the cross-sectional shape change rapidly.

The third aspect that was addressed in this thesis is the development of a finite element code for the analysis of composite thin-walled beam cross sections. This is the third model presented earlier. This method is based on a thin-walled implementation of the Nonhomogeneous Anisotropic Beam Section Analysis method. This implementation uses 3-node line finite elements with nodes having translational and rotational degrees of freedom. This allows to easily set up a model of a thin-walled composite cross section for the analysis of stress, strain, shell load and warping distributions as well as for the computation of the cross-sectional stiffness properties. The proposed method allows to precisely evaluate the behaviour of composite beams including the effects of geometric (including unbalanced and nonsymmetrical layups) and material couplings as well as the transverse shear behaviour.


identifier: Bhérer, Louis  (2021). Méthodologie de génération d’applications auto-adaptatives grâce à un cadre de développement dirigé par les ontologies.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
application auto-adaptative
génération d’applications
Web sémantique
RDF
OWL
Industrie 4.0
ingénierie dirigée par les ontologies

abstract:
Cette thèse présente trois applications qui ont été conçues, développées et déployées dans des cas d’utilisation réels pour Hydro-Québec, le producteur, transporteur et fournisseur d’électricité provincial du Québec. Ces applications ont été créées de façon à présenter des propriétés d’auto-adaptabilité à l’évolution des connaissances de l’entreprise. L’objectif de cette recherche appliquée était d’évaluer la faisabilité de l’utilisation des technologies du Web sémantique pour créer de telles applications Web qui soient utilisables par des utilisateurs débutants.

Le développement de ces trois applications a entrainé des contributions propres à chacune d’elle. La première application est un navigateur sémantique textuel et elle a permis de démontrer qu’il était possible d’atteindre l’indépendance conceptuelle grâce aux technologies du Web sémantique. La deuxième application est un constructeur de requêtes visuelles SPARQL. Son développement a principalement permis d’explorer la transposition des fonctionnalités associées à la construction de requêtes SQL au langage SPARQL. La troisième application est un constructeur de vues tirant profit des leçons apprises lors de la réalisation des deux applications précédentes. Les contributions associées à cette application comprennent : 1. Une composante logicielle inédite d’exploration ontologique; 2. Une liste de recommandations de modélisation ontologique permettant aux modèles d’être utilisés par des applications adoptant cette méthodologie; 3. Une ontologie de visualisation qui est une première tentative vers la création d’un standard afin de guider et personnaliser les interfaces utilisateurs par des annotations faites à même les ontologies de domaine; 4. Un jeu de préinférence permettant la réconciliation du concept d’héritage dans les paradigmes orienté-objets avec le concept de classification du paradigme de la logique de premier ordre; et 5. Une approche permettant de croiser des données d’ontologies OWL de manière ad hoc.

Les expérimentations présentées dans cette thèse ont permis de développer une méthodologie pour générer des applications auto-adaptatives manoeuvrables par des néophytes, comblant ainsi un manque de la littérature. La faisabilité d’une telle approche a été prouvée par la mise en production de la troisième application, générée grâce à cette méthodologie, dans les systèmes de l’entreprise. Cette recherche permet de croire que de telles applications pourront entraîner une réduction des coûts de développement et de maintenance des logiciels. De plus, la généricité et l’auto-adaptabilité des outils développés font de cette approche une candidate de choix pour le développement des applications de l’Industrie 4.0.


identifier: Tremblay, Nicolas  (2021). Imagerie ultrasonore multimodale par focalisation en tous points pour l'inspection de plaques d'acier soudées.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
soudure
inspection
ultrason
sonde à éléments multiples
imagerie
TFM
multimodale

abstract:
Les structures modernes comme les ponts et les bâtiments ont tous un point en commun, l’utilisation de l’acier pour leur structure. Ce matériau omniprésent dans nos vies est souvent soumis à des contraintes importantes, aussi bien mécanique que chimique. Ces éléments structuraux étant utilisés pour leur grande résistance, la rupture de ces derniers peut avoir des conséquences catastrophiques. Il est donc primordial d’en assurer la qualité, lors de leur fabrication ou alors au courant de leur vie utile. Le contrôle non destructif comporte des techniques puissantes d’analyse et de contrôle pouvant détecter les défauts présents dans les pièces sans en affecter l’intégrité physique. L’une de ces techniques, l’inspection ultrasonore, est très efficace pour analyser les plaques d’acier soudées. Effectivement, lors du procédé de soudure, certains défauts comme des manques de fusion ou des fissures peuvent fragiliser la soudure, jusqu’à la rendre dangereuse.

Ce mémoire porte donc sur l’analyse de plaques d’acier soudées. Premièrement, il sera question d’approfondir les connaissances quant à l’inspection des plaques soudées ainsi que les processus d’imagerie ultrasonore moderne. Ensuite suivra la mise en place d’une procédure de test d’un algorithme d’imagerie multimodale développée en combinant plusieurs images produites avec une technique de focalisation en tous points (TFM). Chacune de ces images étant produites avec la reconstruction d’un mode de propagation ultrasonore différent. Cette procédure comporte une partie simulation ainsi qu’une partie expérimentale.

La partie simulation est effectuée à l’aide du logiciel CIVA afin d’évaluer la performance de l’algorithme avant d’effectuer le processus expérimental, mais aussi de fournir une base de comparaison avec les résultats expérimentaux qui suivront. Les conclusions de l’évaluation de la performance en simulation étant concluantes, la partie expérimentale a pu être effectuée. À l’aide d’un appareil de type Topaz64, d’une sonde à éléments multiples (64) centrée à 5 MHz ainsi que de deux sabots, soit l'un à 19 degrés et l’autre à 36 degrés, l’analyse expérimentale a démontré l’efficacité de détecter un manque de fusion ainsi qu’un manque de pénétration. Une conclusion intéressante fût d’observer que bien que l’angle du sabot a une influence sur la forme de l’indication, l’algorithme a démontré une performance de détection similaire dans les deux cas.


identifier: Nonirit, Emmanuelle  (2021). Un cadre d’évaluation empirique de modèles d’évaluation de la mise en oeuvre du BIM au niveau organisationnel.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: BIM

subject: évaluation

subject: modèle d’évaluation de la maturité BIM

subject: modèle d’évaluation des compétences BIM

abstract:
Afin de guider l’implantation du BIM au niveau organisationnel, de nombreux modèles d’évaluation ont été développés pour que les utilisateurs puissent tirer le meilleur parti des processus, technologies et pratiques BIM. Ces modèles empruntent des voies différentes pour répondre aux divers besoins de l’industrie en matière d’informations, de planification, de progression et de bonnes pratiques BIM : ils sont non comparables, non cumulables et présentent des bases théoriques différentes. Nombre d’entre eux manquent de validation empirique par des chercheurs extérieurs à leur développement et la multitude de méthodes et de mesures existantes rendent complexe le choix d’un modèle approprié.

Plusieurs études ont été consacrées à la revue et à l’évaluation de modèles d’évaluation de l’intégration du BIM. Elles étaient soit des revues de modèles similaires selon les mêmes critères, soit des revues de modèles aux bases théoriques différentes, leurs critères devant être adaptés à chaque type de modèle. Contrairement aux évaluations théoriques, l’évaluation empirique offre la possibilité de mettre les modèles d’évaluation du BIM sur un pied d’égalité afin de les évaluer selon les mêmes critères en incluant une majorité de parties prenantes.

Cette recherche-action collaborative et participative présente la collaboration des pôles académiques, industriels et organisationnels pour la mise en place d’un cadre empirique permettant d’évaluer, au niveau organisationnel, les deux modèles d’évaluation pressentis afin d’aider à la diffusion et l’amélioration de l’intégration du BIM au Québec dans le cadre de l’Initiative Construction Québec 4.0. Les modèles de maturité SCBIMMM et de compétences MCBIMQ ont été évalués dans le cadre d’une étude de cas. Pour cela, nous avons développé un outil permettant de valider l’adéquation du modèle par rapport à son environnement et l’intention de ses développeurs. Il se base sur l’applicabilité de la méthodologie, la pertinence de la mesure et l’objectivité de l’évaluation pour permettre de déterminer si un outil d’évaluation du BIM est valable pour un contexte donné.

Cette recherche a permis plusieurs contributions à la théorie. Tout d’abord en apportant une nouvelle perspective au diagnostic des modèles d’évaluation de l’intégration du BIM. Ensuite par le développement d’un outil d’évaluation associant des valeurs inhérentes au domaine de l’évaluation du BIM et des concepts issus des sciences sociales. Puis, en fournissant une validation scientifique à deux modèles d’évaluation de l’implémentation du BIM au niveau organisationnel. Et enfin, en développant les concepts de validation appliqués à la recherche en technologies de l’information et en construction.

Cette recherche contribue aussi à la pratique en proposant des améliorations pour les modèles SCBIMMM et MCBIMQ utilisés pour l’Initiative Construction Québec 4.0.


identifier: Swain, Mitasha  (2021). Design of graphene based conductive blends.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
nanoparticules de graphène
surface de contact
mélanges co-continus
effet de taille
recuit thermique
seuil de percolation
interfaces
conductivité électrique
module de conservation

abstract: In this work, the effect of graphene platelet size on the electrical and rheological behavior of pure polymers and co-continuous blends was evaluated. Graphene presenting a surface area of 750 m2/g and a surface area of 50-80 m2/g was added in concentrations varying from 1 to 10 weight% to polymethylmethacrylate (PMMA), polystyrene (PS) and 50/50 PMMA/PS blend. The materials were obtained by twin screw extruder. The blends were further annealed at 200oC for 30 minutes, 1 hour and 2 hours under a pressure of 0.8 MPa in the hydraulic press. The morphology and electrical properties of the material prior and after annealing were evaluated by scanning electron microscopy and by broadband dielectric spectroscopy. It was shown that PMMA presented a lower percolation threshold than PS and that using a blend could reduce the percolation threshold. It was also shown that using blends is an interesting method to reduce the percolation threshold. Furthermore, the results indicated that the percolation threshold was lower for blends filled with graphene nanoplatelets having a larger surface area. It was also shown that graphene nanoplatelets having high surface area migrate faster towards the more favorable phase than the graphene nanoplatelets having lower surface area thus affecting the electrical and rheological properties. The size of graphene nanoplatelets affect the redistribution of the graphene nanoplatelets in the formation of co continuous network and strength of the blend matrix.


identifier: Khaled, Tarek Ahmed Fathy Mohamed  (2021). Robot dynamic path modification via multi-sensor data tracking.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject: précision du robot

subject: robots industriels

subject: contrôleurs avancés

subject: contrôle actif de rejet des perturbations (ADRC)

subject: modification dynamique du chemin

subject: interaction personne-machine

subject: contrôle flou

subject: contrôle d’admittance

abstract:
This doctoral thesis proposes and validates experimentally nonlinear control strategies for a six-axis industrial robot Meca500 from Mecademic company using two approaches. The first approach aims to provide a precise dynamic trajectory tracking in Cartesian velocity space in the presence of parameter uncertainty and undesirable disturbances. While robot calibration can improve position and orientation (pose) accuracy, the only way for a user to improve the dynamic path accuracy is by “guiding” the robot with the help of an external sensor and a control algorithm running on a separate computer. For this purpose, industrial robots, which are normally controlled with pre-programmed position-mode instructions, offer sometimes the possibility to modify the pose of the robot end-effector on the fly. In the case of Mecademic’s Meca500 industrial robot, operators can indirectly modify the end-effector pose by controlling the robot joint or Cartesian velocity. In this thesis, a practical application of an active disturbance rejection control (ADRC) scheme is presented to improve the path accuracy of the Meca500. The dynamic path correction is achieved by first measuring the distance between a fixed point and the robot tooltip with a linear transducer (Renishaw’s QC20-W ballbar), and then feeding the tooltip velocity vector to the robot (via Ethernet TCP/IP). The (circular) path accuracy of the robot is significantly improved for different robot TCP velocities. For example, at 50 mm/s, the maximum radial error is less than 0.100 mm, and the mean error is 0.015 mm.

The second approach ensures manipulation of Meca500 with a six-axis finger joystick Space- Mouse in a very soft and smooth manner avoiding human-robot cross-coupling, robot’s motor perturbations, oscillation, noise, or aggressive robot response since the system dynamics in this mutual tracking control problem as well as its rate of change may significantly change in amplitude, time, and direction during the normal robot’s movements. To this end, a novel concept of a multi-stage controller connected in series is proposed and verified practically by plotting the mouse-robot mutual response along with capturing a video for all types of movements. The multi stage controller starts with a fuzzy logic control block based on a natural description of the mouse-robot system by humans, which is better than creating a mathematical model. This provides a more feasible solution that integrates human knowledge about the relation between the input and the output at each operating point. The next stage is an admittance control block, connected in series and aiming to damp some oscillations that appear during the robot’s manipulation. Finally, an ADRC tracking differentiator is incorporated as a third and final stage to filter the noise caused by the admittance control, add an intended delay in some robot’s motion situations, and transform the position signal into velocity to be sent to the robot in velocity mode. The experimental results show the enhanced robot performance after adding the external multi-stage controller.


identifier: Zhang, Chengcheng  (2021). Routing and packet scheduling in LoRaWANs-EPC integration network and in O-RAN.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
LoRaWANs
integration de 4G/LTE
routage et ordonnancement
O-RAN
5G

abstract:
Routing and packet scheduling are substantial in mobile networks, in order to provide QoS for a variety of applications ranging from low-power IoT to mobile broadband and ultra-reliable low-latency services. In this thesis, we investigate the routing and packet scheduling problems in LoRaWAN-EPC integration network and O-RAN contexts.

Recently, Mobile Network Operators are considering the integration of the LoRaWAN in their EPC to expand their business, and to improve the interoperability and multi vendor integration in their networks. Unfortunately, the current integration of LoRa and the mobile access according to the 3GPP architectures does not allow the co-existence of multiple LoRa gateways, because the routing and scheduling mechanisms among them are not defined. Therefore, the LoRa gateways cannot operate together, limiting the overall performance of the integration network. In this thesis, we investigate the problem of integrating multiple LoRaWANs into the EPC, which allows several LoRa gateways and sensors in various regions of LoRa signal coverage areas to access multiple network servers and application servers optimally. We propose methods to select dedicated routes in the EPC resource, and formulate the problem of optimal routing and packet scheduling to forward LoRa packets over the routes. The simulation results show our proposed solution can reduce the by an average value of 200ms.

Next, we apply this problem for O-RAN which is an innovative RAN architecture designed to revolutionize 5G and beyond mobile networks. O-RAN virtualized the fronthaul network functions into O-CU, O-DU and O-RU, which are the extension to the CU, DU, RU defined in 3GPP Release 16. Unfortunately, no standard data communication mechanism has been defined for the communication between these elements. Therefore, O-DUs may not work efficiently in the O-DU pool, limiting the RAN performance. This thesis investigates an optimized solution for routing and packet scheduling, allowing multiple O-DU pools to communicate with their O-RUs optimally. We propose an O DU pool architecture and formulate the problem of optimal routing and packet scheduling to forward OFDM symbols over the optimal routes and map UDP packet sizes to fragment OFDM symbols. Numerical results show the response time reduces. Moreover, we design a dynamic programming algorithm to find out the optimal global solution and a greedy algorithm to approximate the solution.


identifier: Daoudi, Abdeldjalil  (2021). Caractérisation multi-échelle des enrobés bitumineux à chaud contenant des granulats bitumineux recyclés et des bardeaux d’asphalte de post-consommation.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
caractérisation multi-échelle
RAP et RAS
comportement mécanique
degré de mobilisation
lois de mélange

abstract:
L’utilisation des granulats bitumineux recyclés (RAP) et des bardeaux d’asphalte de postconsommation (RAS) dans la formulation des enrobés est une bonne solution permettant la réutilisation des ressources non renouvelables. Au Québec, la législation permet de réutiliser jusqu’à 20% et 3% respectivement de RAP et RAS dans les enrobés pour couches de surface. Selon la norme LC 4202, 100% du bitume RAP est mobilisable tandis que pour le RAS ce pourcentage est estimé à 25%. L’objectif principal de cette thèse est de comprendre et d’évaluer les effets de l’addition combinée de RAP et RAS sur le comportement thermomécanique des enrobés.

La recherche bibliographique a permis d’identifier les principaux axes d’étude. Plusieurs travaux présents dans la littérature mettent en doute les taux de mobilisation proposés par la norme LC 4202. Ils soulignent que l’ajout des matériaux bitumineux recyclés conduit à une rigidification de l’enrobé final, conduisant à une chute de la résistance à la fissuration thermique. Ces constatations sont liées principalement à un mélange entre le bitume neuf d’apport et les bitumes recyclés. La bibliographie a permis également d’identifier des outils d’analyses comme l’utilisation des modèles rhéologiques et les équations de passage entre liants bitumineux et enrobé.

Un plan de travail multi-échelle est proposé, et comporte deux niveaux : celui du liant bitumineux (bitume et mastic) et celui de l’enrobé. D’abord à l’échelle du liant, une caractérisation conventionnelle, physico chimique et rhéologique a été réalisée sur les bitumes de bases et des mélanges entre eux. Deux lois de mélange sont proposées à l’issue de cette étude. Une loi linéaire permettant de prédire les paramètres et les caractéristiques non dépendant de la température, et une loi logarithmique pour ceux dépendant de la température. Ces lois sont également validées au niveau du mastic. Ce dernier, considéré comme le réel liant dans les enrobés, a permis de conclure que la rigidification notée à l’échelle enrobé n’est pas seulement causée par le mélange entre les bitumes, mais également par la présence d’un mastic différent par rapport à celui des enrobés neufs. Ensuite, un travail multi-échelle associant l’expérimental et la modélisation est proposé pour étudier le degré de mobilisation. Il est basé sur la caractérisation rhéologique à l’échelle de l’enrobé et l’échelle bitume, puis l’utilisation de la transformation SHStS afin d’aller d’une échelle à une autre. Il a permis de valider que le pourcentage de mobilisation des RAP est de 100% et plus que 50% pour le RAS. À l’échelle enrobé, le travail a été entrepris à différentes températures de caractérisation. Pour les températures de mise en oeuvre, l’ajout des RAP et RAS n’a montré aucun effet significatif sur la compactibilité dans les conditions d’essai étudiées. Pour les températures de service, comme prévu, une rigidification suivant des évolutions linéaires avec la teneur en matériaux recyclés est notée. Aux basses températures, des corrélations sont proposées entre les résultats d’essai de retrait thermique empêché et les résultats de module fluage calculé à partir du module complexe en utilisant des modèles rhéologiques. Cette méthode a permis de valider les craintes qui demeurent au niveau du comportement dans le domaine fragile.


identifier: Costa Carvalho, Andre Luis  (2021). Dealing with missing data and data fusion in smart environment context.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
big data
fusion de données
apprentissage en profondeur
apprentissage d’ensemble
ville intelligente
imputation de données manquantes
données distribuées
multi domaines

abstract:
The rising inflow of people living in megacities has demanded a smart approach to create a sustainable infrastructure to urban areas and provide more efficient services. Buildings automatically opening front doors, lights flicking on, heating and cooling systems adjusting by themselves, cameras tracking the traffic among other situations, are examples of countless arrays of sensors interacting with spaces and people. These sensors and systems dispatch huge volume of data into software platform hundreds of times per minute, demanding high velocity in processing and storing this information through the network, Internet of Things. This digital behaviour gives a foundation to the concept of smart city. While the data variety, volume and velocity are the Big Data definition, both are anchored on the development of Information and Communication Technology.

However, the available data are distributed and collectively aggregated and its fusion might reveal patterns that would not be possible if the data were analyzed separately. The main assumption in data fusion review is that the big picture from fused information allows the optimization of electricity flow through the power grid, supporting transportation networks moving, watching over people’s health and safety, and much more. Yet, according to the literature review, there are two major problems related to fusion data. The first issue is, any system (e.g., application and platform) is susceptible to produce data that might be inaccurate, insufficient, duplicated, incorrect, inconsistent, ambiguous, besides the missing values. The second, in most cases, fusion solutions focus on predefined mining strategy and supervised tasks.

To overcome the first issue, it is noted that missing values can significantly affect the result of analyses and decision making in any field and that the two major approaches to deal with this issue are statistical and model-based methods. Whereas the former brings bias to the analyses, the latter is usually designed for specific cases. To cope with the limitations of both methods, we present a stacked ensemble framework integrating the adaptive random forest algorithm, the Jaccard index, and Bayesian probability. Considering the challenge that the heterogeneous and distributed data from multiple sources represents, we have built a model that supports different data types: continuous, discrete, categorical, and binary.

Aiming to overcome the second limitation of data fusion, we introduce a fusion ensemble learning model for multiple and heterogeneous datasets stacking the Restricted Boltzmann Machine, which gather latent features of the unlabelled datasets and the matrix tri factorization algorithm to fuse the features in a block-matrix structure. Combining such techniques, we were able to design an efficient knowledge discovery tool. The evaluation of both proposed solutions, missing values imputation and fusion data has shown that our ensemble learning model produces encouraging and competitive results, overcoming the limitations previously found in the literature review.


identifier: Kervadec, Hoel  (2021). Constrained deep networks for medical image segmentation.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
optimisation sous constraintes
apprentissage profond
imagerie médicale
faible supervision

abstract:
Weakly supervised image segmentation, in the form of partially labeled images, is attracting significant research attention as it can mitigate the need for laborious pixel annotations required by deep learning models. Enforcing high-order, global inequality constraints on the network outputs can leverage unlabeled data by guiding the training with prior knowledge, restricting the search space during training to anatomically feasible solutions. A range of possible values (such as a lower/upper bounds on the size of a organ) can be very valuable to guide training. However, in the context of deep neural networks, standard Lagrangian optimization has been largely avoided, mainly due to the instability and computational complexity ensuing from alternating explicit dual updates and stochastic optimization. Interior point methods, despite their popularity in convex optimization, are not applicable neither, as they require a feasible starting point, which is itself a difficult constrained problem for deep neural networks. In this thesis, we investigate hard inequality constraints in the context of deep networks with both quadratic penalties and more principled log-barrier extensions. We also investigate methods to mitigate class-imbalance in segmentation problems, such as in brain lesions dataset, by constraining the boundary of the predicted segmentation to match the ground-truth boundary. This thesis produced five different publications as first author, and four papers as co-author. Our papers received several awards, and we were invited to publish extended versions of our works in two special issues of Medical Image Analysis (MedIA).

In our first contribution, we propose to introduce a differentiable penalty, which enforces inequality constraints directly in the loss function, avoiding expensive Lagrangian dual iterates and proposal generation. From constrained-optimization perspective, our simple penalty-based approach is not optimal as there is no guarantee that the constraints are satisfied. However, surprisingly, it yields substantially better results than Lagrangian-based constrained convolutional neural networks, while reducing the computational demand for training. By annotating only a small fraction of the pixels, our approach reaches performances comparable to full supervision, on three separate tasks. While our experiments focused on basic linear constraints such as the target-region size and image tags, our framework can be easily extended to other non-linear constraints, e.g., invariant shape moments and other region statistics.

In our second contribution, we propose log-barrier extensions, which approximate Lagrangian optimization of constrained-CNN problems with a sequence of unconstrained losses. Unlike standard interior-point and log-barrier methods, our formulation does not need an initial feasible solution. We report comprehensive weakly supervised segmentation experiments, with various constraints, showing that our formulation outperforms substantially the existing constrained-CNN methods, both in terms of accuracy, constraint satisfaction and training stability.

In our third contribution, we enforce constraints on the boundary of predicted segmentation. Widely used loss functions for CNN segmentation, such as Dice or cross entropy, are based on integrals over the segmentation regions. Unfortunately, for highly unbalanced segmentations, such regional summations have values that differ by several orders of magnitude across classes, which affects training performance and stability. We propose a boundary loss, which takes the form of a distance metric on the space of contours, not regions. This can mitigate the difficulties of highly unbalanced problems because it uses integrals over the interface between regions instead of unbalanced integrals over the regions. Furthermore, a boundary loss complements regional information. Inspired by graph-based optimization techniques for computing activecontour flows, we express a non-symmetric L2 distance on the space of contours as a regional integral, which avoids completely local differential computations involving contour points. This yields a boundary loss expressed with the regional softmax probability outputs of the network, which can be easily combined with standard regional losses and implemented with any existing deep network architecture for N-D segmentation. We report comprehensive evaluations on different unbalanced problems, showing that our boundary loss can yield significant increases in performances while improving training stability.

In a fourth contribution, we investigates a curriculum-style strategy for semi-supervised CNN segmentation, which devises a regression network to learn image-level information such as the size of the target region. These regressions are used to effectively regularize the segmentation network, constraining the softmax predictions of the unlabeled images to match the inferred label distributions. Our framework is based on inequality constraints, which tolerate uncertainties in the inferred knowledge, e.g., regressed region size. It can be used for a large variety of region attributes. We evaluated our approach for left ventricle segmentation in magnetic resonance images (MRI), and compared it to standard proposal-based semi-supervision strategies. Our method achieves competitive results, leveraging unlabeled data in a more efficient manner and approaching full-supervision performance.

In our fifth and last contribution, we propose a novel weakly supervised framework based on several global constraints derived from box annotations. Particularly, we leverage a classical tightness prior to a deep learning setting via imposing a set of constraints on the network outputs. Such a powerful topological prior prevents solutions from excessive shrinking by enforcing any horizontal or vertical line within the bounding box to contain, at least, one pixel of the target region. Furthermore, we integrate our deep tightness prior with a global background emptiness constraint, guiding training with information outside the bounding box. We demonstrate experimentally that such a global constraint is much more powerful than standard cross-entropy for the background class. The ensuing optimization problem is challenging as it takes the form of a large set of inequality constraints on the network outputs. We solve it with a sequence of unconstrained losses based on our log-barrier extensions. This accommodates standard stochastic gradient descent, while avoiding computationally expensive and unstable Lagrangian dual steps and projections. Extensive experiments over two different public data sets and applications (prostate and brain lesions) demonstrate that the synergy between our global tightness and emptiness priors yield competitive performances, approaching full-supervision performances.

All the codes ensuing from this thesis are publicly available, and free to reuse and modify. The functional programming style used makes it easy to integrate new loss functions and constraints, with little-to-no additional coding efforts.


identifier: Benzid, Djedjiga  (2021). Le code Raptor pour la gestion d’interférence, la sécurité et l’optimisation des antennes dans m-MiMo.  Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
5G
contamination des séquences pilotes
massive-MiMo
Raptor code
sécurité
sélection d’antennes
water filling algorithm

abstract:
La prochaine génération des réseaux sans fil, nommée (5G), est une solution prometteuse pour déployer une future infrastructure de la société numérique fiable et robuste. Cette dernière s’appuie sur des solutions clés, telles que la technologie Massive Multi-Input Multi Output (m-MiMo) dont les propriétés promettent d’augmenter le débit et la capacité du réseau pour faire face au nombre élevé des utilisateurs. Toutefois, cette technologie pose certains défis qui limitent de son déploiement, à savoir la contamination du canal, l’écoute à la couche physique, la consommation excessive d’énergie et la complexité de traitement due à l’usage d’un grand nombre d’éléments de la chaîne radio fréquence.

À cet effet, les trois contraintes citées ci-dessus font l’objet de notre thèse. Notre objectif principal est de proposer des solutions simples fiables et robustes pour faire face à ces contraintes. À cet égard, nous avons proposé trois modèles dans lesquels nous exploitons les caractéristiques de la couche physique afin d’éviter l’ajout supplémentaire dans la consommation des ressources en matière d’énergie et de traitement, qui est déjà problématique dans m-MiMo. À cet effet, nous introduisons les codes correcteurs d’erreurs, plus précisément les codes Raptor, pour fonctionner avec m-MiMo, et ce, pour réduire l’intensité des contraintes que nous avons soulevées dans cette thèse.

La première solution que nous avons mise de l’avant consiste à pallier la contrainte des séquences pilotes contaminées. Pour ce faire, nous avons eu recours à un modèle dont les codes Raptor sont combinés à la technique de détection MMSE (Minimum Mean Square Error). Dans cette approche, les symboles décodés avec le code Raptor sont utilisés par le détecteur MMSE pour estimer le canal par le récepteur, et ce, sans utiliser les séquences pilotes. Cette solution contribue non seulement à éviter la contamination des séquences pilotes, mais aussi à réduire la consommation de ressources, d’énergie et de traitement.

Dans le but d’approfondir cette étude, trois codes FEC (Forward Error Correction) : Raptor, LT (Luby Transform) et LDPC (Low-Density Parity-Check) et trois techniques de filtrage MMSE, ZF (Zero Forcing) et MRC (Maximal Ratio Combining) sont utilisés. L’étude a été effectuée sur un canal d’évanouissement lent (slow fading Channel), un canal qui ne change pas dans le temps ou très peu.

La deuxième solution est consacrée à la résolution du problème d’écoute dans la couche physique dans les m-MiMo. Pour cela, nous avons proposé d’exploiter judicieusement les caractéristiques des codes Raptor et de m-MiMo à des fins de sécurité. Cette proposition contribue à sécuriser la couche physique et à éviter la consommation excessive d’énergie ainsi que la complexité de traitement du signal AN.

Notre objectif en lien avec la troisième contrainte est de déterminer comment sélectionner le meilleur sous-ensemble d’antennes au niveau du récepteur sous un CSI imparfait. Ainsi pour le choix du nombre performant d’antennes, la méthode de Lagrangien et l’algorithme de water-filling sont utilisés. La sélection est basée sur un critère de maximisation de l'information mutuelle utilisant des symboles décodés par code Raptor.

Les solutions présentées sont évaluées par des simulations numériques. Au bout du compte, les résultats montrent que nos solutions proposées ont permis d’atteindre les performances idéales en matière du taux d’erreurs, capacité et de sécutité.


identifier: Koffi, Assohoun Jean Honorat  (2021). Optimisation d’un réseau ad hoc de véhicules aériens sans pilote (UAV) dans un environnement urbain: Positionnement des UAV à l'aide de l'apprentissage automatique.  Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

subject:
UAV
véhicule aérien sans pilote
réseau multi-UAV
BS
station de base
apprentissage automatique
auto-encodeur
K-Means

abstract:
L’apparition récente mais remarquable des véhicules aériens sans pilote (UAV) qui occuperont bientôt la majeure partie de nos systèmes de service constitue la clé de l’expansion des nouvelles technologies de communication et des réseaux sans fil. Ces engins peuvent en effet servir de stations de base volantes permettant d’étendre et/ou d’améliorer la couverture du système de communication mobile terrestre afin de répondre efficacement à la demande de trafic toujours croissante. Cependant, déterminer les meilleures positions pour ces véhicules lors de leur déploiement demeure un réel et grand défi à relever afin d’obtenir d’eux des résultats satisfaisants.

Dans cette étude nous proposons un nouveau schéma de déploiement 3D d’un réseau multi-UAV dans une zone couverte par une station de base (BS) encombrée ou endommagée, intégrant l’apprentissage automatique en vue de maximiser le nombre d’utilisateurs desservis tout en maximisant les bénéfices de l'opérateur.

Premièrement nous proposons un algorithme permettant de déterminer le nombre optimal d'UAV à déployer pour desservir tous les utilisateurs en tenant compte de leurs exigences de service variées. Par la suite nous déterminons les emplacements optimaux de ces véhicules aériens à l'aide d'un algorithme de partitionnement et de positionnement qui intègre les auto-encodeurs afin d'optimiser les emplacements, avant de trouver leur altitude.

La simulation de notre algorithme est réalisée sous MATLAB. Les résultats numériques montrent que notre approche, Deep K-means, proposé peut servir un très grand pourcentage d’utilisateurs en fonction du nombre d’UAV utilisés tout en maximisant le profit de l’opérateur.