identifier: Jouini, M. (2019). Évaluation de la mobilité des contaminants dans des mélanges réactifs des filières de traitement du DMA ferrifère au laboratoire et sur le terrain  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le drainage minier acide (DMA), caractérisé par un faible pH et des fortes concentrations en métaux et en sulfates, est considéré comme un problème mondial ayant des impacts environnementaux et écologiques majeurs. Il est généré par l'oxydation des sulfures métalliques (ex. pyrite and pyrrhotite) en présence d'eau et d'oxygène. Sur les sites miniers abandonnés, les systèmes de traitement passifs, qui sont des processus d'atténuation pseudo-naturels, sont préférés pour traiter le DMA ferrifère (Fe-DMA) ou fortement contaminé en fer (>500 mg/L), étant donné qu'ils offrent la possibilité de réutiliser des matériaux à faible coût (tels que les déchets industriels), consomment moins d'énergie et améliorent la qualité du DMA. Néanmoins, comme le cas des systèmes de traitement actifs, les systèmes de traitement passifs génèrent des quantités non-négligeables de résidus riches en métaux. Une fois excavés, ces résidus présentent une stabilité chimique variée et qui reste difficile à prédire, puisqu'elle dépend de la qualité du DMA traité et de la technologie de traitement utilisée. Ainsi, afin d'assurer une bonne gestion de ces résidus conformément aux lois et règlementation, l'étude au cas par cas demeure souvent nécessaire pour limiter la mobilisation potentielle des contaminants. Dans ce contexte, les principaux objectifs de la thèse sont les suivants : (1) évaluer la mobilité des contaminants dans les résidus post-traitement collectés dans une filière du traitement du Fe-DMA au laboratoire; (2) évaluer la mobilité des contaminants dans les résidus post-traitement collectés dans une filière de traitement du Fe-DMA installée sur le terrain (site Lorraine); et (3) évaluer la performance du traitement par stabilisation/solidification comme mode de gestion durable pour les résidus post-traitement de la filière de terrain. Afin d'atteindre ces objectifs, l'approche méthodologique adoptée consistait à échantillonner tout d'abord les résidus des deux filières de traitement, et ensuite les caractériser pour leurs paramètres physicochimiques et minéralogiques. Par la suite, des tests de lixiviation et essais cinétiques ont été réalisés afin d'évaluer la mobilité potentielle des contaminants et statuer sur la stabilité des résidus post-traitement. Finalement, les résidus post-traitement de la filière sur terrain ont fait l'objet d'un traitement par stabilisation/solidification. Afin de tester la performance de ce mode de gestion, les résidus traités ont été caractérisés pour leur minéralogie et ont subi des tests de lixiviation statique et semi-dynamique pour l'évaluation de leur comportement environnemental. La revue de littérature réalisée a permis de statuer sur le fait que, malgré l'abondance des études portant sur le traitement passif du Fe-DMA, très peu d'études ont évalué le potentiel de mobilité des contaminants en provenance de ces systèmes de traitement. Également, en fonction de la qualité du DMA traité et de la technologie de traitement utilisée (chimique et/ou biochimique), les résidus présentaient une stabilité chimique variable. Ainsi, la revue de littérature a permis de faire ressortir que la compréhension des mécanismes et des processus qui contrôlent l'enlèvement des métaux et des sulfates sont nécessaires pour mieux comprendre et prédire la mobilité des contaminants. Toutefois, ces mécanismes n'ont pas été bien abordés. Par ailleurs, le comportement géochimique des résidus sous les différentes conditions d'altération (cycles mouillage/séchage et cycles gel/dégel) n'a pas été abordé dans la littérature. Également, les travaux disponibles n'ont pas été effectués pour traiter les boues des systèmes passifs du traitement du DMA. Dans ce but, la première étape consistait à échantillonner les résidus post-traitement provenant de trois unités constituant la filière de traitement du Fe-DMA au laboratoire: une unité de prétraitement du Fe (CB50), une unité de traitement des sulfates (RPB) et une unité de polissage (C50). La caractérisation physicochimique (pH de la pâte, humidité et teneurs en métaux, en carbone organique, en carbone inorganique, en soufre, etc.) et minéralogique (DRX, MEB-EDS et XPS) a été réalisée. Des essais de lixiviation statique en batch unique (TCLP) et en batch parallèle (essais de lixiviation à pH-dépendant) ont également été réalisés afin d'évaluer le potentiel de lixiviation des contaminants. Des essais cinétiques en minicellules d'altération sous des cycles mouillage/séchage et gel/dégel ont été ensuite réalisés pour évaluer le comportement environnemental et géochimique de ces résidus post-traitement. Les résultats ont montré que tous les résidus avaient un potentiel de neutralisation résiduel élevé, alors que des concentrations importantes en métaux ont été trouvées dans les résidus de l'unité de prétraitement CB50 (ex. Fe, Al, Mn etc.), tel qu'attendu. Le Fe était précipité sous forme d'oxy-hydroxydes (goethite, hématite et magnétite) et les sulfates étaient retenus sous forme de soufre natif et de gypse. Basé sur les résultats du test TCLP, tous les résidus ont été classés comme non-dangereux selon les valeurs limites définies par l'USEPA. Cependant, les résultats du test de lixiviation à pH-dépendant ont montré que tout contact avec un milieu acide (<7) ou basique (>8) doit être évité afin de limiter la lixiviation potentielle des métaux et, par conséquent, un stockage à pH neutre à faiblement basique a été recommandé. Par ailleurs, une génération possible de drainage minier neutre, avec des concentrations élevées en métaux (ex. Ba, Ni, Cu, Mn et Zn) pourrait se produire à partir de tous les résidus à la suite des altérations durant l'essai cinétique. Également, les cycles gel/dégel ont montré que la lixiviation des métaux et des sulfates était beaucoup plus élevée par rapport aux cycles mouillage/séchage. Ceci pourrait renforcer la mobilité des contaminants une fois que les résidus sont déposés en surface. La deuxième étape du projet consistait à échantillonner les résidus post-traitement provenant de trois unités constituant la filière de traitement du Fe-DMA installée sur le site minier Lorraine: une unité de neutralisation de l'acidité et de précipitation partielle des métaux (RPB1), une unité de traitement de traitement du Fe (CB) et une unité de polissage (RPB2). De la caractérisation physicochimique et minéralogique, des essais de lixiviation statique en batch unique et en batch parallèle, comme pour le cas des solides de la filière au laboratoire, ainsi que des essais cinétiques (en mini-colonne) ont été réalisés afin d'évaluer le potentiel de lixiviation des contaminants et le comportement géochimique des résidus post-traitement. Également, des calculs de l'équilibre thermodynamique ont été aussi réalisés sur les échantillons d'eaux provenant des piézomètres installés dans chaque unité de traitement pour évaluer l'occurrence de la présence de précipités métalliques ainsi que leurs formes (ex. carbonates, oxides, hydroxydes, sulfures, etc.). Les résultats ont montré que les résidus CB avaient un potentiel de neutralisation élevé par rapport aux autres résidus. Également, tous les résidus post-traitement avaient des teneurs élevées en métaux (surtout Fe). La modélisation géochimique a suggéré que le Fe pourrait être précipité sous la forme d'oxydes, d'hydroxydes, d'oxy-hydroxydes, d'hydroxysulfates et de sulfures. Comme pour le cas des résidus post-traitement de la filière au laboratoire, les résultats de la caractérisation minéralogique ont montré que le Fe se trouvait sous forme d'oxy-hydroxydes (goethite, hématite et magnétite), alors que les sulfates se trouvaient sous la forme de soufre natif et de gypse. Les résultats du test TCLP ont montré que tous les résidus étaient classés comme non-dangereux. Également, les résultats de l'essai de lixiviation à pH-dépendant ont indiqué que tous les résidus étaient considérés comme lixiviables en contact avec le milieu acide ou alcalin et un stockage approprié à pH neutre à faiblement basique pourrait être considéré afin de limiter la mobilité des métaux. Quant à eux, les résultats des essais cinétiques ont montré que les résidus RPB2 ont généré un DMA avec de fortes concentrations en métaux (surtout Fe) et en sulfates, tandis que les résidus RPB1 et CB ont généré un drainage minier neutre avec des concentrations élevées en certains métaux (ex. Mn, Ni, Zn, etc.). La troisième étape du projet consistait à traiter par stabilisation/solidification les résidus en provenance de la filière de traitement sur le terrain. Pour ce faire, trois types de liants ont été testés : le ciment Portland vs liants mélangés à base du ciment Portland avec des additifs pouzzolaniques tels que les scories et les cendres volantes type C. Les solides traités par stabilisation/solidification ont été caractérisés du point de vue minéralogique par DRX, MEB-EDS, FTIR et ATG afin de déterminer les produits de la réaction d'hydratation du ciment. L'efficacité du traitement par stabilisation/solidification des résidus a été évaluée par une caractérisation mécanique (test de compression uniaxial), ainsi que des tests de lixiviation statique (TCLP, SPLP et CTEU-9) et semi-dynamique (test de lixiviation sur les monolithes). Les résultats ont montré que les phases calcium-silicates-hydrates (C-S-H), les phases calcium-aluminium-silicates-hydrates (C-A-S-H), le monosulfoaluminate et la portlandite étaient les principaux produits d'hydratation dans tous les résidus traités. Les résultats du comportement mécanique ont montré que tous les résidus traités respectaient les limites de l'USEPA pour l'enfouissement. Par ailleurs, bien que les tests de lixiviation statique aient indiqué qu'une concentration élevée en Ba (> 1mg/L) pouvait être libérée de tous les résidus traités, les résultats du test de lixiviation sur les monolithes ont montré que la concentration en Ba était faible (< 1mg/L) dans les lixiviats provenant des résidus traités à base de ciment Portland tout seul ou combiné avec les scories. En outre, les concentrations de tous les métaux dans les lixiviats des échantillons stabilisés étaient inférieures aux limites fixées par l'USEPA pour leur enfouissement ou leur élimination dans les sites de décharge des déchets non-dangereux. Généralement, le traitement par stabilisation/solidification avec le liant ciment Portland a donné les meilleures performances en termes de développement de la résistance à la compression et d'immobilisation des contaminants. Le présent projet a donc permis d'approfondir les connaissances liées aux mécanismes de rétention des contaminants (métaux et sulfates) et à la stabilité chimique des résidus issus des systèmes de traitement passif du DMA. L'intégration du traitement par stabilisation/solidification des résidus comme mode de gestion durable, qui a été proposé dans cette étude, constitue également un apport scientifique novateur. Enfin, les connaissances et les approches méthodologiques acquises durant cette étude pourraient être applicables à d'autres résidus post-traitement pour mieux anticiper leur comportement, devenir et gestion. Mots clés : drainage minier acide, traitement passif, résidus post-traitement, essais de lixiviation, essais cinétiques, gel/dégel, gestion des rejets, stabilisation/solidification.  ABSTRACT: Acid mine drainage (AMD), characterized by low pH and high concentrations of metals and sulfates, is a worldwide problem with significant environmental and ecological impacts. It is generated by oxidation of sulphides (e.g. pyrite and pyrrhotite) in the presence of water and oxygen. At abandoned mine sites, passive treatment systems, which are pseudo-natural attenuation processes, are preferred for AMD treatment, since they offer the possibility to reuse low-cost materials (e.g. industrial waste), consume less energy and improve the quality of the AMD. Nevertheless, like the case of active treatment systems, passive treatment systems generate not negligible quantities of metal-rich residues. Once excavated, these residues exhibited variable chemical stability, which remained difficult to predict, because it depends on the AMD quality to be treated and the treatment technology used. Thus, to ensure a better management of these residues in accordance with the laws and regulations, the case-by-case study is often necessary to prevent the potential mobilization of contaminants. In this context, the main objectives of the thesis are the following: (1) to evaluate the mobility of contaminants from post-treatment residues collected in a laboratory Fe-AMD system; (2) to evaluate the mobility of contaminants from post-treatment residues collected in a field-based Fe-AMD system (Lorraine site); and (3) to evaluate the performance of stabilization/solidification treatment as a sustainable management mode for post-treatment residues from the field system. To achieve these objectives, the methodological approach adopted consisted firstly of post-treatment residues sampling from the two treatment systems. Then, the sampled residues were characterized for physicochemical parameters and mineralogy. Afterwards, leaching and kinetic tests were conducted to evaluate the mobility of contaminants from residues. Finally, the post-treatment residues from the field system were subjected to a stabilization/solidification treatment. To evaluate the performance of this management, the treated residues were mineralogically characterized and were subjected to static and semi-dynamic leaching tests to assess their environmental behavior. The literature review showed that, despite the abundance of studies on the passive treatment of Fe-AMD, very few evaluated the mobility potential of contaminants from these treatment systems. In addition, depending on the quality of the treated AMD and the treatment technology used (chemical and/or biochemical), residues exhibited variable chemical stability. Thus, the literature review highlighted that, understanding the mechanisms and processes that control the removal of metals and sulfates are necessary to better anticipate the mobility of contaminants from passive treatment residues. However, these mechanisms have not been well addressed until now. Moreover, the geochemical behavior of contaminants from the post-treatment residues under different weathering conditions (wetting/drying cycles and freezing/thawing cycles) are not discussed in the literature. Finally, no research has addressed residues treatment from AMD passive treatment systems. To this end, the first step consisted of residues (CB50, RPB and C50) sampling from a laboratory Fe-AMD passive treatment system. Physicochemical (paste pH, humidity and content of metals, organic carbon, inorganic carbon, sulfur, etc.) and mineralogical characterization (XRD, SEM-EDS and XPS) were carried out. Single batch (TCLP) and parallel batch (pH-dependent leaching test) leaching tests were then conducted to evaluate the leaching potential of contaminants from the collected residues. Kinetic test in weathering cells under wetting/drying and freezing/thawing cycles were also performed to evaluate the geochemical environmental behavior of contaminants from residues. Results showed that all residues had a high residual neutralization potential, whereas significant concentrations of metals (e.g. Fe, Al, Mn etc.) were found in the residues of the pre-treatment unit CB50, as expected. In addition, Fe was precipitated as oxy-hydroxides (goethite, hematite and magnetite), while sulfates were retained in the form of native sulfur and gypsum. Based on the TCLP test, all residues were classified as non-hazardous according to the USEPA limits. The results of the pH-dependent leaching test showed that any contact with acid or alkaline mediums should be avoided to prevent metals' release and a storage at neutral to slightly basic pH was recommended. Moreover, a possible generation of neutral mine drainage (e.g. Ba, Ni, Cu, Mn and Zn) could occur from all residues under weathering during kinetic test. Furthermore, freezing/ thawing cycles showed that leaching of metals and sulfates was much higher than wetting/drying cycles, which could enhance the mobility of contaminants once the residues are disposed in surface impoundments or in uncovered disposal facilities. The second step of the project aimed at residues (RPB1, CB and RPB2) sampling from a field-scale tri-step Fe-AMD passive treatment system installed in the Lorraine mine site. Physicochemical and mineralogical characterization, leaching tests in single batch and in parallel batch, as for the case of the residues of the laboratory treatment system, as well as kinetic tests (in mini-column) were performed to evaluate contaminants' leaching potential and geochemical behavior of residues. In addition, the calculation of the thermodynamic equilibrium was also carried out on water samples collected from piezometers installed in each treatment unit to evaluate of the occurrence of metal precipitates as well as their forms (e.g. carbonates, oxides, hydroxides, sulfides, etc.). Results showed that CB residues had higher neutralization potential than other residues. Moreover, all post-treatment residues had high metal content (especially Fe). Geochemical equilibrium modeling suggested that Fe could be precipitated in the form of oxides, hydroxides, oxy-hydroxides, sulfides and hydroxysulfates. As in the case of post-treatment residues from the laboratory system, results of the mineralogical characterization indicated that Fe was in the form of oxy-hydroxides (goethite, hematite and magnetite) and sulfates were in the form of native sulfur and gypsum. The TCLP results showed that all residues were classified as non-hazardous. Furthermore, results of the pH-dependent leaching test showed that all residues were considered leachable in contact with acidic or alkaline mediums, and an appropriate storage at neutral to weakly basic pH must be considered to limit the mobilisation of metals. For their part, kinetic test results showed that PBR2 residues generated acid mine drainage with high concentration of metals (especially Fe) and sulfates, while PBR1 and CB residues generated neutral mine drainage with significant metal concentrations (e.g. Mn, Ni, Zn). The third step aimed to residues treatment from the field system by stabilization/solidification. To do so, three types of binders were tested: Portland cement vs. mixed binders based on Portland cement with pozzolanic additives such as slag and fly ash type C. Residues treated by stabilization/solidification were mineralogically characterized by XRD, SEM-EDS, IR-DRIFT and TGA to determine the products of cement hydration reaction. The effectiveness of the stabilization/solidification treatment of residues was evaluated by mechanical characterization (uniaxial compressive strength), and static (TCLP, SPLP and CTEU-9) and semi-dynamic (monolithic leaching test) leaching tests. Results showed that calcium-silicates-hydrates (C-S-H), calcium-aluminium-silicates-hydrates (C-A-S-H), monosulfoaluminate and portlandite were the main hydration products in all the treated residues. Results of the mechanical behavior showed that all residues satisfied the threshold of USEPA for landfilling. In addition, although static leaching tests indicated that high Ba concentration could be released from all treated residues, the monolithic leaching test showed that Ba was lowly leached from residues treated with Portland cement only or Portland cement combined with slag. Finally, concentrations of all metals in the leachates of the stabilized samples were below the limits set by the USEPA for landfilling or disposal at non-hazardous waste sites. Overall, the stabilization/solidification treatment with Portland cement gave the best performance in terms of compressive strength development and immobilization of heavy metals. This present project progressed the knowledge on contaminant retention mechanisms (i.e. metals and sulfates) and on chemical stability of residues from AMD passive treatment systems. The integration of stabilization/solidification treatment of residues as a sustainable management approach, proposed in this study, is also an innovative scientific contribution. Finally, knowledge and methodological approaches learned during this study may be applicable to other post-treatment residues to better anticipate their fate. Keywords: acid mine drainage, passive treatment, post-treatment residues, leaching tests, kinetic tests, freezing/ thawing, waste management, stabilization/solidification.


identifier: Kidikian, J. (2019). An Off-Design Mean-Line Methodology to Predict the Missing Data of Single-Stage Transonic Axial Compressor Tests  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le domaine de l'ingénierie est plein de théories, d'hypothèses et de nombreuses approches de conception. En outre, la conception et l'analyse techniques reposent sur de nombreuses procédures développées, perfectionnées et héritées d'une génération d'ingénieurs à l'autre. Cet héritage de conception a des vertus et de inconvénients.  D'une part, chaque génération d'ingénieurs bénéficie des connaissances et des compétences acquises dans les approches et procédures de conception et d'analyse qu'elle a été chargée d'apprendre et de prendre en charge. Les nouvelles générations bénéficient du fait que d'autres ont « compris » et mis au point des formules, des règles empiriques, des modèles, des scripts et même des logiciels. Il suffit d'apprendre et d'appliquer ces éléments et ingrédients pour pouvoir créer un design qui réponde aux besoins de connaissances et d'expérience conservateurs de leurs pairs, de leurs ingénieurs seniors et de la direction.  D'autre part, dans l'environnement de travail actuel du 21e siècle, l'ingénieur est guidé par des modèles et des logiciels et des espaces de conception conservateurs. Cela est dû au fait que les détenteurs de connaissances d'origine souvent ne sont plus actifs dans l'entreprise ; et pour les philosophies et pratiques de gestion où la productivité et la performance sont les paramètres dominants.  L'industrie des turbines à gaz ne fait pas exception. Des approches de conception 1D à 3D, associées à une vaste liste de meilleures pratiques, de pratiques standard et de règles empiriques, font que l'ingénieur devienne une centrale de manipulation de données, de dessins et de communication entre pairs. Chaque génération hérite au mieux la majorité des connaissances de la génération précédente. Dans cette passation du relais, certaines connaissances sont considérées comme acquises et la phrase « nous l'avons toujours fait ainsi » se glisse dans le lexique de l'ingénierie.   Aujourd'hui, avec les avancées annuelles dans les techniques et les méthodologies informatiques en matière de dynamique des fluides, ainsi que la capacité et les capacités accrues de la CPU, du GPU et du stockage des informations, CFD est devenu un puissant outil de conception. Cependant, malgré ses vastes atouts pour les turbines à gaz, une analyse CFD repose toujours sur le bon développement de la méthodologie d'analyse de ligne de moyen unidimensionnelle.  Pendant plus de six décennies, la méthodologie unidimensionnelle de la ligne de moyenne a joué un rôle essentiel dans les phases de conception, de conception détaillée et du cycle de vie d'une turbine à gaz. Cette méthodologie a été utilisée dans la majorité, sinon dans toutes les turbines à gaz développées pour des applications industrielles et aérospatiales.  En outre, la méthodologie unidimensionnelle de la ligne de moyenne a été la pierre angulaire de la conception et de l'analyse des turbines à gaz ; contestée par d'autres méthodologies, telles que l'analyse en flux méridien bidimensionnel ou l'analyse en équilibre radial, et les diverses manifestations de la simulation numérique (CFD). Après plus de six décennies d'utilisation, la méthodologie de la ligne de moyenne joue encore un rôle vital, sinon dominant, dans l'industrie des turbines à gaz.  Malgré le pedigree historique et le rôle fondamental de cette méthodologie unidimensionnelle, la plupart des modèles de prédiction hors le point nominal (ou de design) publiés, des compresseurs axial transsonique testés, présentent trois faiblesses communes: 1) la méthodologie ne permet pas de prédire correctement la début de la condition blocage sonique dans les conditions de débit massique élevé et de faible rapport de pression, 2) la méthodologie ne permet pas de prédire correctement la naissance du décrochage ou une ligne de pompage dans les conditions de faible débit massique et de forte rapport de pression, et 3) prédire correctement les tendances des performances de la ligne de vitesse hors conception en termes de taux de pression sur l'étage et d'efficacité totale - totale par rapport au débit.  Sur la base de l'énoncé du problème mentionné ci-dessus, et parmi les nombreux « toujours fait ainsi » que l'on trouve dans l'industrie des turbines à gaz, il y a la méthodologie de mise à l'échelle des cartes de performances utilisée pour les compresseurs axial. Cette méthodologie prend les résultats d'une carte de compresseur générée par un modèle 1D ou 2D et utilise une mise à l'échelle et des ajustements pour s'adapter aux données des tests. Cela est dû au fait qu'il est « connu » que les modèles 1D et 2D ne représentent pas ou n'ont pas été calibrés pour produire ou prédire avec confiance les résultats des tests.  En général, les modèles 1D sont bien calibrés pour réaliser des calculs pour le point nominal ou de design, mais pas pour des opérations en mode hors design. Le but de cette thèse est de présenter une approche révélant qu'il est possible d'utiliser la méthodologie simple de ligne de moyen hors design ou « off-design » pour prédire des données manquantes de tests de compresseur axial transsonique. L'approche proposée offre à l'ingénieur deux avantages : i) une mise à jour étroitement couplée entre la prédiction et les données de test et ii) une base pour collecter des données de résultats de tests afin de pouvoir créer de nouvelles règles empiriques, de nouvelles formules et de nouvelles connaissances.  Ce document vise à décrire des méthodes fondées sur l'ingénierie et les critères qui permettent de résoudre les faiblesses de la méthodologie ligne de moyen « off-design » mentionnés ci-dessus. En particulier, nous décrirons deux méthodologies et deux critères d'ingénierie.  La première méthodologie convertit les données des tests expérimentaux en facteurs d'ajustement de la modélisation des pertes de ligne de moyen. Nous allons montrer que l'analyse basée sur la ligne moyenne hors design nécessite l'incorporation d'un ensemble de facteurs de blocage d'entrée et de sortie et des angles de déviation qui varient en fonction des conditions de performance du compresseur. Cette approche diffère des hypothèses procédurales fondées sur la littérature (ou règle générale) de facteurs de blocage d'entrée et de sortie fixes d'environ 0,98 et de l'utilisation d'un angle de déviation unique basé sur la règle de Carter.  La deuxième méthodologie est une approche généralisée permettant de créer des corrélations pour les pertes de charge totales du rotor et du stator, les angles de déviation et les facteurs de blocage d'entrée et de sortie de l'aube. Nous montrerons que pour tenter de prédire correctement les performances hors conception, le modèle de perte du rotor doit non seulement tenir compte des modifications physiques et des variations de débit dues à une modification du RPM, mais également pour le modèle de perte du stator nous avons besoin de prendre en charge des modifications physiques et une modification des RPM. Cette approche unique et nouvelle capture implicitement l'interaction couche de limite entre le rotor et stator, et capture implicitement les interactions jeu entre le rotor et stator.  De plus, deux critères basés sur l'ingénierie seront introduits, décrivant la condition de blocage sonique du compresseur axial transsonique et l'apparition du décrochage ou une ligne de pompage. Le critère pour le condition blocage sonique basé sur l'ingénierie peut être utilisé à la place de l'hypothèse procédurale de la condition de flux de masse verticale, ou « stone wall », qui a été utilisée tout au long de l'histoire de la méthodologie de la ligne de moyenne. En outre, un critère d'ingénierie relativement simple, nouveau et efficace pour le début du décrochage ou une ligne de pompage sera introduit.  Les méthodologies de ligne de moyen et les critères basés sur l'ingénierie sont ensuite incorporés et testés dans un logiciel de conception spécialisé, développé pour la conception et l'analyse d'un moteur à turbine à gaz complet. Ce logiciel, qui inclut un modèle intégré de ligne de moyen hors conception de compresseur axial, est utilisé pour obtenir les données de performances manquantes et pour prédire le condition blocage sonique et le début décrochage ou une ligne de pompage de quatre compresseurs axiaux transsoniques bien documentés par la NASA.  Les méthodologies de ligne de moyen hors design et les critères basés sur l'ingénierie révèlent une conclusion commune. Pouvoir obtenir une correspondance adéquate des performances hors conception d'un compresseur axial transsonique d'un étage (ce qui conduit ensuite à une meilleure prévision de la tendance des performances hors conception), y compris les conditions blocage et pompage, requiert un ensemble complet de données de test de compresseur axial et un modèle de ligne de moyenne correctement ajusté qui tient compte des modifications du rapport de pression du rotor et de l'étage, des variations du rapport de température du rotor et des facteurs de blocage qui changent selon les conditions hors design.  La méthodologie de modélisation généralisée des pertes en ligne de moyen, ainsi que les critères d'ingénierie qui l'accompagnent, permettront au concepteur de compresseurs de déclasser l'utilisation des techniques de mise à l'échelle des cartes de performances pour les compresseurs à un étage. A sa place, la méthodologie prédictive généralisée estimera avec précision les performances hors conception des compresseurs axial transsoniques et peut être utilisée pour prédire et compléter les données de performances manquantes.  Il faut juste imaginer les possibilités.  ABSTRACT: “I would rather have questions that can't be answered than answers that can't be questioned.” - Richard Feynman  With yearly advances in computational fluid dynamics (CFD) techniques and methodologies, and the increased capacity and capabilities of computer CPU, GPU, and information storage, CFD has become a powerful design tool.  However, despite its vast strengths for gas turbines, a CFD analysis is still based on the sound development of the one-dimensional mean-line analysis methodology.   For more than six decades, the one-dimensional mean-line methodology has played a vital role in the preliminary, detailed design, and production phases of the gas turbine life-cycle. This methodology has been used in all gas turbines developed for both industrial and aerospace applications.  Furthermore, the one-dimensional mean-line methodology has been a cornerstone for gas turbine design and analysis; challenged by other methodologies, such as the two-dimensional meridional through-flow, or radial equilibrium analysis, and the various manifestations of three-dimensional computational fluid dynamics, after more than six decades of use, the one-dimensional mean-line methodology still plays a vital, if not dominant, role in the gas turbine industry.  Despite the historical pedigree, and the fundamental and foundational role of the one-dimensional mean-line methodology, most published off-design prediction models, of tested transonic axial compressors, suffer from three common weaknesses1: 1) the methodology does not properly predict the onset of the choking condition at the high mass flow rate and low pressure ratio conditions, 2) the methodology does not properly predict the onset of stall or surge at the low mass flow rate and high pressure ratio conditions, and 3) the methodology does not properly predict the off-design speed-line performance trends in terms of stage pressure ratio and total-to-total efficiency versus the mass flow rate of an axial compressor.  This document endeavors to describe engineering-based methodologies and criteria that resolve the off-design mean-line methodology weaknesses mentioned above. In particular, we will describe two methodologies and two engineering-based criteria.  The first methodology converts experimental test data into mean-line loss modeling tuning factors. It will be shown that the off-design mean-line analysis requires the incorporation of a set of inlet & exit blockage factors and deviation angles that vary with the compressor performance conditions. This approach differs from the literature-based procedural assumptions (or rule-of-thumb) of fixed inlet and exit blockage factors of approximately 0.98, and the use of a unique deviation angle based on Carter's rule.  The second methodology, which is a generalized methodology to create correlations for the rotor and stator total pressure losses, deviation angles, and blade row inlet and exit blockage factors, is used to convert the mean-line model tuning factors into specific axial compressor stage loss models. It will be shown that to be able to attempt a proper prediction of the off-design performance, not only does the rotor loss model must cater for both physical and flow changes due to a change in RPM, the stator loss model must also cater for both physical and flow changes due to a change in RPM. This unique and novel approach implicitly captures the rotor-stator boundary layer interaction and the rotor-stator clearance interactions.  Additionally, two engineering-based criteria will be introduced that best describes the transonic axial compressor choking phenomenon, and the onset of the stall conditions. The engineering-based criterion for choke, which is based on a static pressure ratio between the stator exit and the rotor inlet and exit static pressures, can be used in lieu of the literature-based procedural assumption of the vertical, or stone-wall, mass flow condition which has been used throughout the mean-line methodology's history. Furthermore, a relatively simple, novel, and effective engineering-based criterion for the stall onset will be introduced, which is based on a 1D off-design mean-line model ratio comparing the rotor exit absolute tangential velocity against the rotor exit and the stator inlet absolute axial velocity.  The mean-line methodologies and engineering-based criteria are then incorporated and tested in a specialized gas turbine design software, developed by the present author for the design and analysis of a whole gas turbine engine. This software, which includes an embedded axial compressor off-design mean-line model, is used to obtain the missing performance data, and predict the choke and the onset of the stall conditions of four well-documented NASA transonic axial compressors.  The off-design mean-line model methodologies and engineering-based criteria reveal a common threaded conclusion. To be able to obtain a proper and successful match of the off-design performance of a single-stage transonic axial compressor (which then leads to an improved trend prediction of the off-design speed-line performance), including the choke and surge conditions, requires a complete set of axial compressor test data and a properly tuned mean-line model that caters for both the rotor and stage pressure ratio changes, its accompanying rotor temperature ratio variations, and blockage factors that change per off-design condition.  The generalized mean-line loss modelling methodology, and its accompanying engineering-based criteria, will allow the compressor designer to decommission the use of the performance map scaling techniques for single-stage compressors. In its place, the tuned-to-predictive methodologies will accurately estimate the off-design performance of transonic axial compressors, and can be used to predict and complete the missing performance data.  Let us note that this document contains elements of two ASME 2018 TurboExpo conference papers [1, 2].  Imagine the possibilities.


identifier: Moussa, M. (2019). Towards Reliable Robotics: from Navigation to Coordination  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les robots autonomes et les systèmes multi-robots ont connu un intérêt sans cesse croissant par les scientifiques et l'industrie. Plusieurs applications telles que les robots assistants, les robots gestionnaires de stock ainsi que les véhicules autonomes nécessitent des algorithmes de navigation et de coordination fiables pour permettre leur déploiement dans des environnements dynamiques et relativement méconnus. Ainsi, la capacité d'adaptation est une caractéristique fondamentale permettant une utilisation accrue et une intégration plus facile des systèmes multi-robots. Afin de posséder cette agilité d'adaptation, les robots devraient opter vers un comportement assez robuste avec une aptitude à réajuster leurs actions selon la cinématique de l'environnement. Ce mémoire de thèse, s'interesse aux problèmes de fiabilité lors du déploiement des systèmes multi-robots dans des environnements dynamiques et inconnus. Il s'articule autour de deux contributions majeures, à savoir : Un mécanisme de planification et de réajustement de mouvement quasi optimal qui roule à une fréquence allant jusqu'à 200 Hz. Ainsi qu'un framework de vérification de la robustesse des comportements coopératifs des systèmes multi-robots. La première contribution a été inspirée de l'habilité de quelques animaux à naviguer en se fiant au champ magnétique terrestre. En effet, nous avons constaté que le champ magnétique n'admet pas de maxima locaux, ce qui permet aux animaux de suivre son gradient. Par conséquent, un robot est capable de parcourir tout type d'environnements en faisant propager un champ magnétique virtuel et en suivant son gradient. Toutefois, la résolution des équations de Maxwell, qui décrivent la physique des champs magnétiques, est complexe et nécessitent des simulations numériques couteuses en termes de ressources et temps de calcul. Pour pallier cette difficulté, nous proposons un approximateur de la solution des équations de Maxwell basé sur un réseau de neurones profond entrainé exclusivement sur des solutions provenant de simulations numériques avancées. L'environnement est représenté par une carte de conductivité. Nous affectons une conductivité maximale à la destination du robot et une conductivité nulle aux obstacles. Le calcul de la distribution du champ magnétique virtuel permettra au robot de suivre le gradient qui le mènera vers sa destination selon un chemin quasi optimal.  ABSTRACT: Autonomous robots and multi-robot systems are of growing interest for industry and academia. Many real-world applications such as assistive robotics, inventory management, and autonomous driving require reliable navigation and coordination algorithms that can be deployed in a partially unknown, dynamic environment. The ability to adapt is a key feature for the widespread use and societal integration of multi-robot systems. To achieve this adaptation ability, robots must implement inherently robust behaviors and must be sufficiently fast to re-plan their actions when their environment changes. This dissertation deals with the problem of reliably deploying a group of robots in a dynamic, unknown environment, and provides two key contributions: a mechanism for robots to plan and re-plan their motion near optimally up to 200 times per second; and a framework to verify the robustness of multi-robot cooperative behaviors. For the first contribution, observing how some animals are able to navigate using the Earth's magnetic field, we realize that this is possible because the magnetic field has no local maxima, and animals can follow its gradient. This means that a robot can navigate any kind of environment by propagating a known virtual magnetic field and following its gradient. However, solving Maxwell's equations–which govern the physics of magnetic fields– is complex and demands computationally costly numerical simulations. To overcome this problem, we propose a deep neural network as an approximator for Maxwell's equations, exclusively trained on high-quality numerical simulations. We model the environment as a conductivity map with its maximum in a goal location and zero for obstacles. After computing the virtual field propagation, a robot can follow the virtual magnetic gradient to optimally reach the goal.


identifier: Létourneau, A. (2019). Système intégré sur puce pour formation d'ondes planes en imagerie ultrasonore  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'imagerie médicale est en constante évolution afin de permettre aux professionnels de la santé de poser des diagnostics plus précis plus rapidement. Parmi la panoplie de modalités d'imagerie à leur disposition, l'échographie est souvent un choix logique puisqu'elle est sécuritaire (non ionisante), simple à utiliser, peu dispendieuse et permet d'imager les tissus biologiques en temps réel. Les systèmes sur chariot peuvent être déplacés jusqu'au patient si nécessaire et certains nouveaux modèles sont même complètement portables. Si l'échographie présente de nombreux avantages, il y a toujours place au progrès et le développement de cette technique d'imagerie se poursuit toujours : les récents progrès en imagerie ultrasonore ultrarapide permettent maintenant de former des images à plus de dix fois la fréquence conventionnelle (ligne par ligne) et permettent ainsi de mesurer l'élasticité des tissus ou d'améliorer la visualisation du flot sanguin en direct. L'imagerie ultrasonore ultrarapide utilise des ondes planes (par opposition aux ondes focalisées conventionnelles) pour insonifier l'entièreté du milieu à chaque acquisition. Afin d'améliorer la qualité de l'image formée, plusieurs ondes planes peuvent être envoyées à différents angles, puis combinées. Pour l'instant, les appareils permettant de former ces ondes planes sont des appareils relativement dispendieux et complexes, permettant de former des fronts d'ondes sur mesure. Cette flexibilité est très utile en recherche, mais une solution plus simple serait suffisante et pratique pour un système commercial.  L'objectif du projet de cette maîtrise est la conception d'un circuit intégré permettant de générer les impulsions électriques capable d'exciter des transducteurs dans le cadre de l'imagerie par ondes planes. Le circuit final, fabriqué avec la technologie CMOS haute-tension 0,35 µm d'Austria Micro Systems, devra inclure plusieurs canaux d'émission et un système permettant activer chacun d'eux avec des délais précis. Le nombre de signaux de contrôle devra être réduit au maximum afin de former un système simple et efficace. Ce projet présente plusieurs défis. D'abord, les contraintes temporelles relatives propres au monde des circuits intégrés sont majeures et dictent le rythme d'avancement de tout projet en microélectronique. En effet, pour la technologie utilisée, deux rondes de fabrication sont typiquement offertes par année, avec des délais de fabrication et de livraison d'environ quatre à cinq mois.  ABSTRACT: Medical imaging is constantly evolving to allow health care professionals to make more accurate and faster diagnostics. Among the many available imaging modalities, ultrasound imaging is often a logical choice since it is safe (non-ionizing), simple to use and inexpensive while allowing the imaging of biological tissue in real time. Trolley systems can be moved to the patient if necessary and some new models are even completely portable and hand-held. Improvements in echography are still ongoing: recent advances in ultrafast ultrasound imgagin now allow images to be formed at more than ten times the frequency of conventional echography (line-by-line) and thus allow the measurement if tissues' elasticity or improve the visualization of blood flow. Ultrafast ultrasound imaging uses plane waves (as opposed to focused waves in conventional echography) to insonify the whole targeted area at each acquisition. To improve on the resulting image quality, multiple plane wave can be transmitted to the medium at various angles and combined. As of now, devices capable of forming such plane waves are relatively complex and expensive and allow for any wave front to be transmitted by the transducers. This high degree of flexibility is desirable in a research context, but a simpler solution would fit most commercial needs.  The main goal of this master's project is the design of an integrated circuit able to drive transducers in plane wave imaging applications. The final integrated circuit, fabricated in Austria Micro System 0.35µm high tension CMOS process, should include multiple transmit channels as well as a system able to address each of them with a precise delay. The number of required control signals will be kept minimal to form a simple and effective system. This project presents several challenges. First, the schedule inherent to integrated circuit fabrication imposes hard dead lines on any microelectronic project. Indeed, for the chosen technology, one or two rounds are open per year and the fabrication and delivery delay hovers around four to five months. Then, to validate the operation and assess the performance of the circuit, a complex system must be built around the chip. This setup includes power delivery modules, analog to digital converters, a field-programmable gate array, a data transfer system between the test board and a software so the user can interact in real time with the chip. Three fabrication rounds were carried out over the two years of this project, each improving on the previous one.


identifier: Roy, V. (2019). Accélération de l'oxydation et passivation de sulfures dans des stériles miniers afin de réduire le potentiel de génération de drainage neutre contaminé  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'exploitation minière génère beaucoup de rejets. Ces rejets sont divisés en deux catégories : les résidus, qui sont générés à la suite du traitement du minerai, et les stériles, qui sont générés lors de l'extraction pour atteindre le minéral d'intérêt. Ces rejets sont généralement entreposés en surface et exposés aux conditions ambiantes et climatiques, plus particulièrement à l'oxygène de l'air et l'eau de pluie. Les stériles sont particulièrement problématiques, notamment en raison de leur granulométrie étalée. Ceux-ci sont entreposés en halde pouvant couvrir plusieurs dizaines d'hectares et mesurer plusieurs centaines de mètres de hauteur. Les matériaux miniers sont susceptibles de contenir des minéraux réactifs, comme par exemple des sulfures. Ces sulfures s'oxydent en présence d'eau et d'oxygène et affectent la qualité des eaux de drainage, c'est-à-dire les eaux s'écoulant au travers de la halde et rejetées à l'environnement. Ces réactions chimiques peuvent mener à l'acidification de l'eau, pour certains sulfures, comme la pyrite, et sa contamination en métaux, phénomène nommé drainage minier acide (DMA). Lorsqu'il y a présence de minéraux neutralisant en quantité suffisante pour conserver le pH neutre, mais qu'il y a présence de métaux, ce phénomène est alors nommé drainage neutre contaminé (DNC). Le DNC est la conséquence, notamment, de la solubilité élevée de métaux à pH près de la neutralité, par exemple le nickel, le cobalt et le cuivre. L'objectif de ce projet est d'étudier la possibilité d'utiliser l'oxydation forcée et la passivation afin de réduire le potentiel de génération de drainage neutre contaminé d'un stérile faiblement sulfureux. Ce projet a été réalisé en partenariat avec la mine Lac Tio, propriété de Rio Tinto Fer et Titane. Cette mine est située sur la Côte-Nord du Québec, Canada, à 43 km au nord-est d'Havre-Saint-Pierre. Cette mine à ciel ouvert est en opération depuis 1950. Rio Tinto Fer et Titane y exploite le plus gros gisement d'ilménite massive au monde avec un tonnage annuel d'environ 86 Mt et une superficie d'exploitation d'environ 2,51 Mm2. À la mine Lac Tio, des concentrations en nickel sporadiquement supérieures à la limite de la Directive 019 sont observées à l'effluent non traité. La Directive 019 permet d'établir une limite de concentration des contaminants dans les eaux minières, entre autres (MELCC, 2012). Cette limite est établie à 0,5 mg/L de nickel extractible en moyenne mensuelle (MELCC, 2012). Le stérile ayant été déterminé comme non générateur acide par de nombreuses études antérieures, les eaux de drainage font l'objet d'un DNC en nickel. De plus, un phénomène de sorption du nickel sur le plagioclase et l'ilménite cause un délai du relargage du nickel dans les eaux de drainage de dizaines d'années. Ainsi, les eaux environnantes pourraient faire l'objet d'une contamination en nickel des dizaines, voire des centaines d'années suite à la fermeture de la mine. Suite à une caractérisation, il a été déterminé que le stérile utilisé pour les essais de laboratoire contient environ 15% d'un plagioclase d'une composition semblable à la labradorite, 16% d'hématite, 52% d'ilménite et des traces de pyrite. L'ilménite est la phase contenant les sulfures qui seraient à l'origine du DNC. Afin d'empêcher l'oxydation des sulfures, il faut éliminer l'un des réactifs, soit l'oxygène ou l'eau. Dans un climat humide comme celui du Québec, il est plus avantageux de limiter les interactions avec l'oxygène. Diverses méthodes ont été développées pour contrer le phénomène de DMA. Par contre, des études antérieures, notamment sur le stérile Tio, ont montré que les méthodes de restauration et de gestion des rejets miniers utilisées pour le DMA ne sont pas toujours applicables au DNC. Ainsi, au cours de ce projet, la possibilité de forcer l'oxydation des sulfures et de passiver les surfaces afin de réduire à la source le potentiel de génération de DNC à long terme en diminuant la réactivité des sulfures par une couche de passivation sur la surface des minéraux sulfureux a été étudiée. De nombreuses études montrent qu'il est possible d'utiliser une solution oxydante et/ou passivante afin de précipiter les oxy-hydroxydes de fer et créer une couche de passivation. Ces études ont été produites sur des sulfures purs fins ou du matériel à fine granulométrie à forte teneur en sulfures. Ainsi, lors de l'étude ici-présentée, il était question de montrer si un tel traitement pourrait être efficace sur un matériel grossier à faible teneur en sulfure. Pour ce faire, l'utilisation d'une solution de traitement sur le stérile a été étudiée en essais cinétiques en laboratoire. Huit différentes solutions ont été testées en mini-cellules de 400g. Le peroxyde d'hydrogène, le silicate de sodium et le phosphate de potassium sont les principaux agents testés en mini-cellules, en combinaison ou non avec un agent tampon, le carbonate de sodium. Les résultats ont montré que les solutions de peroxyde tamponné (I), de silicate de sodium (II) et de silicate accompagné de peroxyde et de carbonate (III) sont potentiellement des traitements efficaces. Par la suite, les trois solutions montrant les meilleurs résultats ont été testées en colonnes de 70kg. Lors de ces essais, la solution de peroxyde tamponné a montré les meilleurs résultats quant à la diminution du potentiel de génération de DNC à long terme. Le taux de lixiviation du nickel a été diminué de 1,4x10-3 mg/kg/jour (non traité) à 4,0x10-5 mg/kg/jour (traité), ce qui représente une diminution de 97%. De plus, la lixiviation du soufre a diminué de moitié. Finalement, la solution montrant les meilleurs résultats en termes de diminution du DNC en colonnes, soit le peroxyde d'hydrogène tamponné, a été testé en cellule expérimentale de 64 tonnes afin de déterminer la possibilité d'utiliser un tel traitement sur le terrain. Les résultats de cet essai préliminaire de terrain ont relevé le potentiel de cette approche, mais des essais supplémentaires sont nécessaire pour confirmer l'applicabilité. Pour conclure, une analyse de cycle de vie (ACV) a permis de quantifier et déterminer les impacts potentiels sur la santé humaine et la qualité des écosystèmes d'un tel traitement. L'utilisation d'une solution de peroxyde tamponné sur une cellule expérimentale a été étudiée, dans le cadre d'une analyse de cycle de vie, en comparaison avec la situation actuelle, où l'effluent est traité à l'aide d'un coagulant pour retirer le nickel. Le logiciel Simapro 8.4 a été utilisé, ainsi que la méthode IMPACT World+ et la base de données ecoinvent version 3.4 afin de modéliser cette étude en 2019 au Québec pour une période de 100 ans. Les impacts sur la santé humaine et la qualité des écosystèmes seraient diminués à environ 15% de ce qu'ils représentent pour le scénario actuel selon les résultats de l'ACV. Pour terminer, il est important de mentionner que ce projet porte sur le cas particulier de la mine Lac Tio. Afin d'appliquer un tel traitement à d'autres matériels, il serait important d'effectuer d'autres tests. Par contre, cette étude a permis de montrer l'efficacité d'une nouvelle approche de réduction du potentiel de génération de DNC provenant de stériles faiblement sulfureux. En effet, suite à un traitement au peroxyde tamponné au carbonate de sodium en colonnes de laboratoire, une couche de passivation a été observée. De plus, le taux de lixiviation du nickel a diminué de deux ordres de grandeur. Finalement, une analyse de cycle de vie montre qu'un tel traitement pourraient possiblement diminuer à 15% les impacts environnementaux possible du traitement du drainage neutre contaminé.  ABSTRACT: Mine exploitation generates large amounts of solid wastes, which are divided into tailings, produced by the mineral processing, and waste rock, produced from the excavation to reach the ore of interest. These residues are piled at the surface, exposed to ambient and seasonal conditions, especially the oxygen from air and rainwater. Waste rock are the most problematic, particularly for their wide spread particle size distribution. These are piled in waste rock piles of tens of hectares and measuring hundreds of meters in height. Solid wastes may contain minerals that are reactive to oxygen and water, for example sulfides. Sulfides oxidize when in contact with water and oxygen and affect the drainage water quality i.e. the water that flows trough the waste rock pile and are rejected to the environment. These reactions can lead to water acidification, for some sulfides such as pyrite, and high metal concentrations. This phenomenon is called acid mine drainage (AMD). When enough neutralizing material is present to keep a near neutral pH but water still shows high concentrations of metals, it is called contaminated neutral drainage (CND). Contaminated neutral drainage is the consequence, for instance, of the high solubility of metals at near neutral pH, like nickel, cobalt and copper. The objective of this project was to study the possibility to use forced oxidation and passivation to reduce the contaminated neutral drainage generation potential from low sulfide waste rock. This project was realized in partnership with the Lac Tio mine, property of Rio Tinto Iron and Titanium. This mine is located in the Côte-Nord region of Quebec, Canada, 43 km north-east from Havre-Saint-Pierre. This open pit mine is in operation since 1950. Rio Tinto Iron and Titanium exploits at Lac Tio mine the world's biggest massive ilmenite deposit. With an annual extraction of 86 Mt and an area of 2.51 Mm2, huge waste rock piles overlook the field. At Lac Tio mine, nickel concentrations sporadically higher than the environmental limit are observed at the untreated mine effluent. The limit is established by the Directive 019 at a monthly mean of 0.5 mg/L of extractible nickel (MELCC, 2012). The material has been determined as non-acid generating by numerous previous studies. The drainage water is submitted to nickel CND. Sorption phenomenon of nickel on plagioclase and ilmenite causes a delay in nickel release of tens of years. Indeed, surrounding waters will be submitted to nickel contamination for tens, maybe even hundreds of years after mine closure. Following characterization, the material used in the laboratory tests was determined to be composed of 15% plagioclase of composition close to labradorite, 16% hematite, 52% ilmenite, and traces of pyrite. Ilmenite is the sulfide bearing phase that is the source of nickel CND. To prevent sulfide oxidation, one of its reactive component, either oxygen or water, needs to be limited. In a humid climate like Quebec, it is more advantageous to limit oxygen. Multiple methods have been developed to limit AMD. Although these are effective for AMD, they are not always applicable to CND. In this project, the possibility to force sulfide oxidation or to passivate sulfide surfaces to reduce, at the source, the CND generation potential was studied in a long-term view by limiting sulfides reactivity by creating a passivation layer on sulphides surfaces. Numerous studies show that it is possible to use an oxidant and/or passivating solution to force iron oxy-hydroxide precipitation on sulfides surfaces. These tests were done on pure fine sulfides or on fine grained, high sulfides composition, residues. In the present study, the possibility to use this kind of treatment on a coarse, low sulfide, waste rock was studied. To do so, the use of a treatment solution on the waste rock was studied in kinetic tests on a laboratory scale. Eight different solutions were tested in 400g weathering cells. Hydrogen peroxide, sodium silicate and potassium phosphate were the main product tested in weathering cells, in combination or not with a buffer, sodium carbonate. Results showed that the solutions of buffered peroxide (I), sodium silicate (II) and silicate with carbonate and peroxide (III) could be potential effective treatments. Then, the three solutions that showed the best results were tested in 70kg columns. For these tests, the buffered peroxide solution showed the best results in term of reduction of the nickel CND generation potential. The nickel release rate was reduced from 14x10-4 mg/kg/day (untreated) to 4x10-5 mg/kg/day (treated), which represent a reduction of 97%. In addition, sulfur release rate was reduced by half. Finally, the solution that showed the best results, the buffered peroxide, was tested on a 64 tons experimental field cell to determine if it is possible to use this kind of solution to treat waste rock. The results of this preliminary field showed the potential of this approach, but further tests are necessary to confirm the applicability. To conclude, a life cycle assessment was made to quantify and compare the potential impacts on human health and ecosystem quality of this kind of treatment. The use of a buffered peroxide solution on an experimental cell was studied trough a life cycle assessment, comparing it to the actual scenario, where the effluent is treated with a coagulant to remove nickel. Simapro 8.4 software, the IIMPACT World+ method and the ecoinvent 3.4 version database were used for modeling the study in Quebec for 100 years. Results showed that treating the waste rock could reduce the time needed for treating the effluent. In addition, the impact on human health and ecosystem quality were reduced to 15% of the actual scenario impacts. To conclude, it is important to mention that this project was tested on Lac Tio mine waste rock. To use this kind of treatment on another material, it is important to proceed to more tests. Nonetheless, the study showed the efficiency of a new approach to reduce the CND generation potential from low sulfide waste rock. Following waste rock treatment with a peroxide and carbonate solution in laboratory columns, a passivation layer was observed on pyrite surfaces. In addition, the nickel lixiviation rate was reduced by two order of magnitude. Finally, a life cycle assessment showed that this kind of treatment could possibly lower to 15% the possible environmental impacts of CND treatment.


identifier: Zoukaghe, I. (2020). Cône effilé instrumenté: nouvelle méthode d'interprétation basée sur des analyses par éléments finis  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'essai au cône effilé instrumenté (ISCT) a pour objectif principal, la détermination in situ, de la résistance au cisaillement non drainé (Su) d'une argile saturée. Les essais ISCT réalisés au site de Mascouche (Longtin, 2003) n'ont pas permis de déduire des valeurs réalistes de Su par la méthode d'interprétation proposée par Ladanyi, Longtin et Ducharme (2000). La pertinence des hypothèses sur lesquelles se base cette méthode, notamment l'état de déformations planes, ainsi que sa validité ont fait l'objet de l'étude numérique menée par Abou-Samra (2011). Celle-ci a permis de mettre en évidence le besoin d'une nouvelle méthode de détermination de Su propre à l'ISCT.  ABSTRACT: The Instrumented Sharp Cone Test (ISCT) is a test that can determine, in situ, the undrained shear strength (Su) of saturated clay. This ISCT's were conducted on a clay deposit in Mascouche. The results were first interpreted using the method of Ladanyi et al. (2000). However, the method did not give realistic values of Su. Relevant assumptions considered in Ladanyi et al. (2000) method and their validity have been examined through a numerical study by Abou-Samra (2011). The analysis demonstrated the need for developing a new method of interpretation.


identifier: Lavoie, G. (2019). Analyse des politiques d'affectation d'un service préhospitalier d'urgence par simulation  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Lorsqu'une urgence médicale survient, le premier réflexe est de composer le numéro d'appel d'urgence. Aussitôt, un processus complexe s'enclenche menant à l'arrivée d'une équipe de techniciens ambulanciers paramédics. Leurs interventions rapides peuvent éviter des drames et sauver des vies. Les services préhospitaliers d'urgence (SPU) sont les organisations derrière ces interventions d'urgence. Leur mission est de fournir des soins préhospitaliers et du transport ambulancier de qualité. La vitesse à laquelle les SPU répondent aux demandes, leurs temps de réponse (TR), est un indicateur important de la qualité de leur service comme l'état de santé des patients peut se dégrader rapidement en l'absence de soins. De plus, même pour les patients non urgents, des temps de réponse courts sont désirables comme les patients souhaitent recevoir de l'aide rapidement. L'objectif de ce mémoire est de développer un modèle de simulation d'un SPU et de l'utiliser pour développer et pour tester des règles de gestion capables de réduire les temps de réponse. Plus précisément, nous modélisons Urgences-santé, le SPU responsable de Montréal et de Laval, et proposons plusieurs politiques pour améliorer leurs décisions d'affectations. Le modèle est développé en étroite collaboration avec le SPU permettant ainsi de bâtir un modèle réaliste. L'affectation consiste normalement à choisir l'ambulance à attribuer à chaque patient parmi celles disponibles. Nous proposons d'étendre cette définition en considérant non seulement les ambulances disponibles, mais également celles qui sont indisponibles. En effet, il est possible que ces ambulances occupées soient capables de répondre à un appel plus rapidement que les ambulances libres. Cette approche a été très peu considérée dans la littérature. Nous permettons l'affectation d'ambulances indisponibles dans trois cas : avant le début des quarts de travail, pendant la pause repas et pendant le transfert de patient à l'hôpital. D'après notre modèle, l'inclusion du premier et du troisième groupe dans l'affectation des appels de basses priorités permet de réduire leurs TR de 4.2% et 7.3% respectivement. La deuxième méthode n'améliore pas les temps de réponse que nous expliquons par la redondance entre la position des ambulances qui prennent leur pause repas avec celles des ambulances disponibles. De plus, nous proposons d'utiliser les ambulances nouvellement disponibles pour améliorer les affectations de basses priorités ce qui mène à une diminution de leurs TR de 7.3%. Au meilleur de notre connaissance, nous sommes les premiers à utiliser cette politique pour des appels de basses priorités. Ces politiques peuvent être combinées, ce qui peut amener des diminutions des TR de basses priorités allant jusqu'à 8.2%. L'effet de ces politiques sur les appels de hautes priorités est négligeable ou nul. Ces gains sont réalisés par rapport aux règles actuelles d'Urgences-santé dont la politique d'affectation est déjà sophistiquée. Ces résultats nous amènent à recommander l'ajout de ces politiques à leurs politiques. Elles pourraient également être bénéfiques à d'autres SPU. Notre modèle de simulation a le potentiel d'être appliqué à des politiques de gestion des SPU autres que celles d'affectation. En effet, les politiques de localisation et de relocalisation, de sélection du centre hospitalier, de gestion des effectifs et de spécialisation des ressources pourraient être étudiées à l'aide du modèle.  ABSTRACT: When faced with a medical emergency, our first instinct is to call 911. This puts in motion a complex process that leads to the arrival of one or more teams of emergency responders. Their intervention can save lives and avoid tragedies. Behind the scenes, emergency medical services (EMS) manage these teams. The goal of these organizations is to provide quality emergency prehospital care. The response time (RT), defined as the time required to reach a patient, is a primary quality indicator, because patients' conditions can deteriorate rapidly. Even for non-urgent requests, fast RT is important as patients expect a quick reaction. The goal of this thesis is to develop a simulation model of an EMS and to use it to measure the impact of new strategies on response time. The model is based on Urgences-santé, the EMS for Montreal and Laval Islands. We propose and evaluate policies to improve their dispatching performance. The model was developed in collaboration with the Urgences-santé, which maximises its fidelity. Dispatching policies define which ambulance among all available ambulances is chosen to answer a call. We extended this definition to include “near-to-be-available” ambulances as they are sometimes able to reach a call faster than currently available ambulances. This has sparely been done in the literature. Ambulances are considered “near-to-be-available” during three periods: before the beginning of a shift, during the team's lunch breaks, and during transfer of care at the hospital. Using our simulation model, we found that considering the first and third groups in dispatching for low priority calls reduces RT by 4.2% and 7.3% respectively. Considering the second group did not yield improvement to RT, as the locations of ambulances during lunch breaks were too similar to the locations of available ambulances. In addition, we evaluated a wholly novel strategy to reducing RT based on replacing alreadydispatched ambulances with newly-available ambulances to replace ambulances assigned to low priority calls which reduces RT. To be best of our knowledge, this has never been done before. This policy reduced RT for low-priority requests by 7.3%. Combining those policies improved performance further, yielding RT reductions of up to 8.2% for low-priority calls. It is important to note that all evaluated policies had no or negligible impact on the RT for high-priority calls. We recommend the adoption of those policies to Urgences-santé. They might also be applicable to other EMS systems. The simulation model applications are not limited to the evaluation of dispatching policies. It could be used to evaluate new policies for location and elocation, hospital selection, staff management, and resources specialization.


identifier: El Hage, B. (2020). Analyse de la répartition des charges routières pour les tabliers de type platelage en aluminium sur poutres en acier  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire porte sur l'étude de l'efficacité structurale d'un platelage en aluminium formé d'extrusions évidées soudées entre elles pour la distribution des efforts dus aux charges vives aux poutres en acier formant les éléments porteurs du platelage. La méthode simplifiée du code CSA-S6 pour les platelages en aluminium suppose que ceux-ci sont formés d'éléments indépendants, ce qui n'est pas représentatif de la construction des platelages qui sont constitués d'éléments solidaires. De plus, le code S6 ne donne aucune indication sur l'utilisation de méthodes d'analyse raffinées pour les platelages orthotropes, caractéristique des platelages en aluminium assemblés par soudage.  ABSTRACT: This thesis presents a study of the structural efficiency of an aluminum decking formed of hollow extrusions welded together for the distribution of forces due to the live loads to the steel beams forming the bearing elements of the decking. The simplified method of the CSA-S6 code for aluminum decking assumes that these are formed of independent elements, which is not representative of the construction of decks which consist of integral elements. In addition, the S6 code gives no indication of the use of refined analysis methods for orthotropic decks, which is typical of welded decking aluminum.


identifier: Bellemare, J. (2019). Fragilisation par hydrogène de l'acier 4340 électroplaqué: tests non destructifs électromagnétiques et analyses avancées de mesures de spectroscopie à désorption thermique  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans la première moitié du 19e siècle, la révolution industrielle fait exploser la demande mondiale en acier. Dès 1850, l'électrodéposition de nickel, laiton, étain et zinc débute pour prévenir les problèmes de corrosion de l'acier. Toutefois, cette solution provoque un autre problème : les pièces d'acier plaquées deviennent plus fragiles. En 1875, Johnson met en évidence l'élément problématique : l'hydrogène diffusant dans l'acier lors de l'électrodéposition [1]. Par ses expériences simples, Johnson établit les bases du phénomène que l'on nomme aujourd'hui Fragilisation Par Hydrogène (FPH), étudié dans plus de 38 000 articles en date de 2016 [2]. D'un point de vue industriel, il existe plusieurs normes pour tester la FPH de l'acier plaqué d'un revêtement métallique. Dans le cadre de ce travail, le test décrit dans les normes ASTM F-519 [3] et AMS-QQ-P-416E [4] est utilisé pour évaluer la FPH de plus de 200 échantillons. Dans ce test, quatre éprouvettes plaquées sont chargées en série à 75 % de leur résistance mécanique maximale (“Notch Fracture Strength (NFS)”) pendant 200 heures. Si deux éprouvettes se rompent avant 200 heures, le revêtement est alors considéré comme fragilisant. Toujours selon les normes ASTM F-519 et AMS-QQ-P-416E, un recuit doit être effectué en moins de 4 heures après le placage, sans quoi les pièces sont aussi considérées comme fragilisées. Lorsqu'une des deux conditions n'est pas remplie, les pièces plaquées sont placées en quarantaine ou envoyées aux rebuts. Cela peut mener à des pertes financières importantes pouvant atteindre 100 000 $ pour une seule pièce. Cette problématique a conduit à la définition de l'objectif principal de cette thèse, soit d'évaluer si une méthode non destructive ÉlectroMagnétique (EM) pourrait permettre de déterminer si une pièce d'acier haute résistance plaquée est fragilisée par hydrogène ou non. L'hypothèse permettant de formuler cet objectif principal est la suivante : la concentration en hydrogène dans un métal affecte ses propriétés électrique et/ou magnétiques. Pour atteindre l'objectif principal, il faut d'abord connaître l'ordre de grandeur de la concentration en hydrogène produisant la FPH, nommé “seuil critique de concentration en hydrogène”. Cette valeur déterminera la sensibilité que l'on recherche pour la méthode non destructive EM. Pour ce faire, le test de traction à charge soutenue de 200 heures (“Sustained-Load Test (SLT)”) et la spectroscopie de désorption thermique (“Thermal Desorption Spectroscopy (TDS)”) sont utilisés pour déterminer le degré de FPH et le contenu en hydrogène d'éprouvettes d'acier 4340 avec entaille plaquées de cadmium ou de chrome. Les concentrations en hydrogène mesurées par TDS se situent entre 1 à 20 ppma (ppm atomique) pour les placages de cadmium, et à 1000 ppma pour les placages de chrome.  ABSTRACT: In the first half of the 19th century, the world demand for steel increase rapidly due to industrial revolution. As early as 1850, the electroplating of nickel, brass, tin and zinc is developed in order to prevent corrosion problems of steel. However, the electroplating lead to another problem: the steel parts become more fragile. In 1875, Johnson finds that hydrogen diffusing into the steel during the electroplating is the cause of the problem [1]. With simple experiments, Johnson lays the foundation for the phenomenon called Hydrogen Embrittlement (HE), which has been studied in over 38,000 articles as of 2016 [2]. In the industry, there are several standards used to test HE of electroplated steel. In this work, the test described in the standards ASTM F-519 [3] and AMS-QQ-P-416E [4] is used to evaluate HE of more than 200 samples. In this test, four plated notched bars are loaded in series at 75 % of their Notch Fracture Strength (NFS) for 200 hours. If two specimens break before 200 hours, the plating is considered to be embrittling. As prescribed in ASTM F-519 and AMS-QQ-P-416E, a baking must be carried out in less than 4 hours after plating, otherwise the parts are also considered as embrittled. When one of the two conditions is not fulfilled, the plated parts are placed in quarantine or sent to scrap. This can lead to significant financial losses up to 100 000 $ for the most expensive parts. This problem led to the definition of the main objective of this thesis: to evaluate if an ElectroMagnetic (EM)non-destructive testing procedure could establish whether a part of an electroplated highstrength steel is embrittled or not. The hypothesis behind that main objective is that: the hydrogen concentration in metals affects its electrical or magnetic properties or both. In order to address the main objective, the level of the hydrogen concentration producing HE, called "critical hydrogen concentration threshold", was determined. This value fixes the sensitivity required for the non-destructive EM method. The critical level was inferred using 200-hour Sustained-Load Test (SLT) and Thermal Desorption Spectroscopy (TDS) on cadmium or chromium-plated 4340 steel notched bars, enabling us to assess their degree embrittlement and their hydrogen content. The hydrogen concentrations measured by TDS are between 1 to 20 ppma (atomic ppm) for cadmium platings, and about 1000 ppma for chromium platings. These concentrations lead to surprising failure at only 20 % of the NFS for chromium platings, whereas cadmium platings generally reach 75 % of the NFS and fracture between 0 and 200 hours of SLT. Therefore, the critical hydrogen concentration threshold is addressed using cadmium-plated samples, as they lead to HE in nearly 200 hours of SLT, i.e. the mechanical threshold for HE in the standards.


identifier: Renaud, S. (2020). Développement de méthodes multi-échelles pour évaluer la réponse en cisaillement d'interfaces barrage-fondation  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse propose de nouvelles méthodes numériques et analytiques originales pour prendre en compte les effets de la cohésion, de la rugosité et de l'échelle sur la résistance au cisaillement des interfaces barrage-fondation. Du fait des incertitudes reliées à l'évaluation de la résistance au cisaillement de ces interfaces, il est commun de : (i) négliger à grande échelle les effets des irrégularités géométriques ; (ii) supposer une interface intégralement décollée, sans cohésion ; et (iii) considérer le critère de résistance en cisaillement de Mohr-Coulomb sans inclure explicitement les effets de la rugosité. Cependant, ces hypothèses simplificatrices peuvent mener à une analyse conservatrice de la stabilité des barrages qui ne reflète pas leur comportement généralement bon. Une revue des différents outils employables pour analyser lec omportement en cisaillement de contacts roc-béton est effectuée, notamment en se basant surle cas des discontinuités rocheuses. Néanmoins, les interfaces barrage-fondation comportent certaines spécificités tels leurs dimensions, le niveau de contraintes normales ou la présence de différents matériaux, qui limitent l'applicabilité des outils développés en mécanique des roches. Dans ce contexte, cette thèse se consacre au développement de nouvelles méthodes pour mieux caractériser la résistance au cisaillement des interfaces barrage-fondation. Tout d'abord, une procédure pratique pour les analyses de stabilité sismique des barrages est proposée pour tenir compte de la présence d'irrégularités géométriques et de cohésion le long des interfaces barrage-fondation. La technique développée est appliquée pour investiguer la stabilité sismique d'un barrage-poids existant avec une fondation en escalier. Une discussion détaillée sur les effets de la géométrie et des propriétés mécaniques des interfaces barrage-fondation est alors fournie. Il est montré qu'une géométrie simplifiée d'interface barrage-fondation doit être utilisée avec précaution dans la mesure où elle peut mener à des déplacements résiduels ou des facteurs de sécurité au glissement inexacts. Les résultats soulignent aussi l'importance de la cohésion et de l'angle de friction sur la stabilité au glissement des barrages. Par la suite, trois niveaux d'échelles d'étude sont considérés pour développer les modèles multi-échelles d'interfaces barrage-fondation tout en tenant compte des effets de la rugosité : (i) petite échelle, i.e. correspondant à une dimension d'une éprouvette cisaillée dont le diamètre varie de 0,083 à 0,145 m ; (ii) moyenne échelle, i.e. correspondant à une surface d'environ 0,5 m par 0,5 m ; et (iii) grande échelle, i.e. correspondant à une surface de 4 m par 18 m. D'abord, l'effet de la rugosité des joints sur leur résistance au cisaillement est investiguée à petite échelle en se basant sur les données expérimentales obtenues à partir d'essais de cisaillement menés sur 18 échantillons présentant une interface de contact non-liée, i.e. sans lien chimique, forés à partir de joints béton-béton, roc-béton et roc-roc de barrages existants. Des procédures originales et pratiques sont développées pour traiter numériquement les profils 3D des interfaces numérisées des contacts cisaillés, et ensuite évaluer les paramètres correspondants de rugosité pour la prédiction de la résistance au cisaillement. Des coefficients de rugosité et d'emboitement du joint, respectivement JRC et JMC, dépendants de son orientation, sont aussi proposés pour investiguer les effets de l'emboitement et de la rugosité en fonction de la direction de cisaillement. Les valeurs de résistance au cisaillement obtenues des essais expérimentaux pour chaque contact sont alors comparées à des prédictions en utilisant une équation analytique adaptée pour prendre en compte les JRC et JMC dépendant de l'orientation. Les résultats soulignent le rôle significatif des propriétés de rugosité et d'emboitement sur la résistance au cisaillement des joints naturels non-liés, même si la qualité des prédictions demeure sensible à la valeur sélectionnée d'angle de friction résiduel φr et de la résistance compression du joint JCS. Il est aussi montré que la rugosité et la qualité d'emboitement du joint varient en fonction de la direction de cisaillement, ce qui peut impacter significativement les résistances au cisaillement prédites. Ces résultats illustrent clairement le besoin d'analyses de sensibilité pour évaluer la variation de la résistance au cisaillement d'un joint si le glissement du barrage se produit dans une direction différente de celle adoptée durant les essais.  ABSTRACT: This thesis proposes new original numerical and analytical methods to account for the effects of cohesion, roughness and scale on the shear strength of dam-rock interfaces. Due to the uncertainties related to the assessment of the shear strength of these interfaces, it is common to: (i) neglect at large scale the effects of geometric irregularities; (ii) assume a fully unbounded dam-rock interface without any cohesion; and (iii) to consider the Mohr-Coulomb shear strength criterion without explicitly including the effect of roughness. However, these simplified assumptions may lead to conservative analyses of the dam stability which do reflect not their overall good behaviour. A review of the various tools applicable to analyse the shear behaviour of concrete-rock contacts is conducted based on the case of rock discontinuities. Nevertheless, dam-rock interfaces include several specificities such as their size, the level of normal stress or the presence of various materials which prevent to apply the tools developed in rock mechanics. Therefore, this thesis is dedicated to the development of new methods to better characterize the shear strength of dam-rock interfaces. First, an efficient procedure for dam seismic stability analysis is proposed to account for the presence of geometric irregularities and cohesion along the dam-rock interfaces. The developed technique is applied to investigate the seismic stability of an existing gravity dam with a stepped dam-rock foundation. Detailed discussion of the effects of dam-rock geometry and mechanical properties at dam-rock interface is presented. It is mainly shown that a sim-plified dam-rock geometry should be used with caution as it may lead to inaccurate results for the dam sliding safety factor and residual displacement. The results also emphasize the importance of cohesion and friction in dam stability assessment. Then, three scales of study are considered to develop multiscale analytical and Finite Element models of dam-rock interfaces while accounting for the effects of roughness: (i) small scale, i.e.  a shear-tested contact specimen whose diameter vary between 0.083 and 0.145 m; (ii) medium scale, i.e.  concrete rock contact of approximately 0.5 m; and (iii) large scale, i.e. a rock foundation of 18 m. First, the effects of joint roughness on shear strength is investigated at small scale based on experimental data obtained from shear tests on 18 specimens presenting an unbonded contact interface, i.e. with no bond, drilled from concrete, concrete-rock, and rock joints in existing dams. Original and practical procedures are developed to numerically process 3D profiles of laser-scanned interfaces of the tested contact specimens, and then evaluate the corresponding roughness parameters for the prediction of joint shear strength. Orientation-dependent Joint Roughness Coefficient (JRC)and Joint Matching Coefficient (JMC) are also proposed to investigate roughness effects asa function of shearing direction. Shear strength values from shear tests conducted on contactspecimens are compared to predictions using an analytical equation adapted to include the orientation-dependent JRC and JMC. The results highlight the significant role of roughness and matching properties on the shear strength of unbonded natural joints, although thequality of the predictions was found to be sensitive to the selection of the residual friction angle φr and the joint compressive strength JCS. It is also found that joint roughness and matching depends on shear direction which can significantly affect shear strength predictions.


identifier: Etebarialamdari, N. (2019). A Data-driven Approach to Revenue Management Problem with Behavioral Considerations  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RÉSUMÉ: Cette thèse porte sur l'étude de diverses méthodes avancées et orientées données pour résoudre la problématique de gestion de revenu plus souvent désigné par “Revenue Management” (RM). Nous nous intéressons à deux sous-problèmes du RM que sont la prévision de demande et le contrôle d'inventaire, poursuivons avec une revue de la littérature suivi d'une synthèse des contributions de la thèse. Nous commençons par une introduction générale sur la métodologie usuelle pour traiter la prédiction de la demande et les politiques optimales de contrôle d'inventaire. Nous présentons dans les trois chapitres suivants, nos travaux sur ces problématiques, chacun correspondant à un article soumis dans une revue internationale. Finalement nous concluons par des remarques sur le travail actuel et une discussion sur les possibles futurs travaux. Nous présentons maintenant brièvement les trois articles. Dans le premier article, nous nous intéressons à la prévision de la demande pour une importante compagnie ferroviaire. Pour cela, nous explorons diverses approches de prétraitement, apprentissage machine et sélection de caractéristiques des données. Comme cette prévision est utilisée pour différents objectifs, nous travaillons sur deux niveaux d'agrégation différents. La solution devant être industrialisable, nous mettons l'emphase sur la rapidité, la simplicité et la robustesse. Nous combinons alors des méthodes de l'état de l'art avec des techniques innovantes de construction des caractéristiques des données pour arriver à des résultats prometteurs. Bien que nous traitons la prévision de demande pour le domaine ferroviaire, nos résultats s'appliquent également aux autres domaines de transport et à l'hôtellerie. Dans le second article, nous considérons le problème du contrôle d'inventaire du RM sous comportement d'achat pour le domaine aérien avec une méthode d'apprentissage par renforcement du type “Deep Q-Network” (DQN). Par rapport aux approches traditionnelles en RM, DQN ne dépend pas d'une prévision de la demande pour retourner de bonnes décisions de contrôle. Il fonctionne en utilisant des données historiques et/ou une interaction directe avec les clients. Nous nous concentrons essentiellement sur l'aspect comportemental de notre modèle. Nous entraînons et évaluons notre solution avec des données synthétiques puis la comparons avec des méthodes tradionelles de RM sur des instances aériennes fournies par la littérature. Dans le troisième article, nous abordons des instances de taille plus importante pour des problèmes de RM que l'on retrouve en pratique. Nous proposons un algorithme “Action Generation” (AGen) à intégrer au DQN pour étendre son utilisation à des problèmes de plus grande taille de RM sans trop augmenter le coût de calcul. La motivation derrière cette approche vient d'une analyse des offres optimales à travers l'horizon de réservation qui montre qu'elles sont souvent les mêmes, nous les appelons alors “offres efficaces”. À partir de cette information nous pouvons considérablement réduire le temps de calcul dans les cas pratiques. AGen est un algorithme heuristique de type glouton qui mimique la génération de colonnes dans le but de générer ces “offres efficaces”. La combinaison de DQN et AGen donne des résultats prometteurs sur les problèmes de plus grandes tailles.  ABSTRACT: ABSTRATC: This dissertation presents a systematic study of various data-driven advanced methodologies employed to solve a Revenue Management (RM) problem. We address two main modules within an RM system; namely, demand forecasting and inventory control. We start with a general introduction into the thesis and then proceed to overall methodology used to both predict customer demand and analyze the capacity control policies. The methodologies are explained in detail in the three following chapters each of which corresponds to an article already submitted to an international journal. Finally, we conclude with final remarks and discussions of implications for further work. Following is a brief explanation of each article. In the first article, we study a demand forecasting problem to be addressed for a major railway company. To do so, we explore various preprocessing, machine learning and feature engineering techniques. Moreover, the demand is estimated in two different aggregation levels of data in order to serve different purposes. To comply with the industry-specific requirements, the emphasis of our solution method is on speed, simplicity, and robustness. In this study, the use of state-of-the-art machine learning methods along with innovative feature construction techniques led to high quality results. Although railway industry is the representative of our problem, the studied demand forecasting approaches can easily be extended to other transportation industries or hospitality businesses. In the second article, we address a choice-based seat inventory control problem in airline industry using a deep reinforcement learning method named Deep Q-Network (DQN). In contrast to traditional RM techniques, DQN does not rely on predicted demand to make informed capacity control decisions. It operates using historical data and/or real-time interaction with customers. In this study, we mainly focus on the choice-based characteristic of our model. We train and evaluate our solution method with synthetic data and compare the final performance to those of well-known RM methods using common flight examples provided in the literature. In the third article, we tackle large-scale practical RM problems. We propose an “Action Generation” (AGen) algorithm to be integrated into DQN and extend its application to larger RM problems without incurring enormous computational costs. The analysis of the optimal offersets offered to customers throughout the booking horizon shows that only particular offersets (i.e., actions), which we call them “effective sets”, are repeatedly used. Thus, if we manage to develop a method to generate such actions, we will be able to substantially reduce the processing time in practical cases. AGen is a greedy heuristic algorithm that mimics the column generation algorithm [1] with the aim of generating “effective sets”. The AGen embedded DQN yields promising results in large-size network problems.


identifier: Oulbacha, R. (2019). Synthèse d'images tomodensitométriques à partir d'IRM par des réseaux adverses génératifs pour le recalage 3D/2D de la colonne vertébrale  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'information structurelle tridimensionnelle apporte une aide précieuse aux procédures or-thopédiques qui, le plus souvent, n'ont à portée de main que des modalités d'imagerie bi-dimensionnelles pour se guider. Non seulement cela aide-t-il à améliorer la précision des manoeuvres, mais cela permet aussi, dans plusieurs cas, de rendre les procédures moins in-vasives. La modalité d'imagerie bidimensionnelle sur laquelle se concentre ce mémoire est la fluoroscopie de bras en C. Celle-ci est très répandue dans les salles opératoires et permet une acquisition rapide et versatile pour guider les procédure orthopédiques. Cette modalité est le plus souvent fusionnée avec la tomodensitométrie par un recalage 2D/3D. Ces deux modalités reposent sur le principe d'absorption de rayons X, ce qui fait que l'on retrouve des similarités dans la géométrie et dans les intensités d'une modalité à l'autre. Cela simplifie le problème. Toutefois, la tomodensitométrie n'o˙re pas les meilleurs contrastes pour visualiser les organes, les nerfs et les tissus mous ; d'autant plus qu'elle cause une irradiation non né-gligeable au patient. En revanche, l'IRM se prête mieux à la visualisation des organes et des tissus mous. Elle a aussi l'avantage de ne pas irradier le patient. Le contraste de celle-ci est très di˙érent de la tomodensitométrie, surtout au niveau de la colonne vertébrale ; ce qui rend le problème de recalage 2D/3D avec la fluoroscopie de bras en C plus diÿcile. Les dernières avancées en apprentissage profond montrent des résultats très prometteurs pour la tache de translation d'image. Ceci est applicable à la génération de tomodensitométrie synthétique à partir d'IRM pour un recalage 2D/3D subséquent. Nous proposons une méthode de recalage 2D/3D par Digitally Reconstructed Radiograph (DRR) entre l'imagerie par résonance magnétique et la fluoroscopie de bras en C, basée sur la synthèse de tomodensitométrie par des méthodes d'apprentissage profond. En premier lieu, nous explorons plusieurs architectures de réseaux adverses génératifs. Ces architectures-là ont montré d'impressionnants résultats pour la translation d'images non médicales. Nous expérimentons avec un ensemble de données public constitué de 18 volumes d'IRM et de CT. Nous constatons que l'architecture CycleGAN généralise mieux à des données non-observées que l'architecture cGAN, et que celle-ci tend à sur-apprendre. Nous introduisons aussi deux nouvelles composantes à l'architecture CycleGAN pour améliorer la résolution tridimension-nelle ainsi que la distribution des intensités pour les CT synthétiques. Enfin, nous e˙ectuons un recalage 2D/3D par DRR en utilisant les tomodensitométries synthétiques, avec une er-reur de recalage de 2.1 ± 0.2mm pour valider notre méthode. La méthode proposée, de par ses composantes que par son application, présente un fort potentiel tant pour la synthèse d'images médicales que pour le recalage multimodal.  ABSTRACT: The structural information in three dimensions brings valuable insight and added precision to orthopedic interventions, which may otherwise only rely on bidimensional imaging modalities. Not only does 3D imaging help improve surgical accuracy, but it also helps reduce invasive-ness. The bidimensional imaging modality on which we focus in this work is the C-Arm fluroscopy. The latter is very common in operating theaters and allows for real-time versatile image acquisition to help guide interventions. That modality is often fused with CT scans to bring the added precision from the third dimension and lift the projective uncertainty on depth. CT and C-Arm fluoroscopy both rely on the physical principle of X-Ray absorption, which allows for their respective geometry and intensity distributions to be strongly corre-lated, and makes the registration problem relatively easier. However, computed tomography does not have the best contrast to visualize organs, nerves and soft tissue. It also involves a non-negligeable radiation dose. On the other hand, MRI allows itself to a better visualization of those organs and of soft tissue. It also has the advantage of not exposing the patient to ionizing radiation. The MRI contrast being very di˙erent than that of the CT, especially for the spine, makes the 2D/3D registration problem much harder. The latest advances in deep learning show promising results for the task of image translation, which is applicable to the generation of a synthetic CT from an MRI, for a subsequent 2D/3D registration to C-Arm fluoroscopy through Digitally Reconstructed Radiographs (DRR). We propose such a method for 2D/3D registration between magnetic resonance imaging and C-Arm fluoroscopy, based on synthetic CT generation using deep learning methods. First, we explore numerous generative adversarial network architectures. Those architectures have shown impressive results for non-medical image translation. We experiment with a public dataset of 18 MRI and CT volumes. We notice that the CycleGAN architecture generalizes better to unseen data than the cGAN architecture does. The latter tends to overfit. We also introduce two new components to the CycleGAN architecture, which improves the tridimen-sional resolution as well as the voxel intensity distribution of the synthetic data. Finally, we perform DRR-based 2D/3D registration using the synthetic CT, and validate our method with a registration error of 2.1 ± 0.2mm. The proposed method, through its components and through its application, o˙ers a strong potential for medical image synthesis as well as multimodal registration.