identifier: Malidzan, Z. (2018). Suivi et localisation des marchandises en temps réel à partir des camions de transport sur longue distance  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La méthode actuelle de suivi et localisation des marchandises durant le transport par camion comporte certaines lacunes telles que la perte de marchandises et un retard imprévisible sur le délai de livraison. Dans cette recherche provenant d'un besoin industriel, un système permettant de localiser en temps réel différentes marchandises appartenant à différents clients à partir des camions de transport sur longue distance est proposé. Elle a été divisée en trois principales parties pour une investigation en parallèle : développement d'un principe de détection de la présence des marchandises à l'intérieur du camion par un dispositif, développement d'un principe de transfert de données entre ce dispositif de localisation cellulaire et l'extérieur du camion et application d'un algorithme de localisation pour le suivi des marchandises en temps réel. Pour la détection de la présence des marchandises à l'intérieur du camion, davantage de dispositifs cellulaires de localisation, des transmetteurs et récepteurs (modulation par déplacement d'amplitude) ASK de 433 MHZ ou la technologie RFID peuvent être utilisés. Des transmetteurs sans-fil peuvent être installés sur chacune des marchandises et transmettre l'information de présence au dispositif de localisation. Pour le transfert de données entre le dispositif cellulaire étudié et l'extérieur, les technologies LTE, GSM, HSPA et UMTS sont utilisées. Un circuit d'amplification de signal a été développé pour la sensibilité de réception et compenser l'atténuation du signal causée par la remorque qui agit comme une cage de Faraday. Pour la localisation du dispositif, le principe de triangulation et le principe de détection de l'identification des cellules sont utilisés. Les résultats actuels montrent qu'on peut atteindre l'objectif de fabrication d'un prototype et que le système peut localiser chacune des palettes la plupart du temps avec une précision inférieure à 1km par les méthodes de l'identification de la cellule et de la triangulation de tours cellulaire. La moyenne sur les distances entre le dispositif et les méthodes de localisation obtenues par le calcul est d'environ 560m dans un environnement urbain.  ABSTRACT: The current method for tracking and positioning of goods during truck transportation has some gaps such as loss of goods and an unpredictable delay in delivery time. In this research coming from an industrial need, a method for real-time tracking and localization of different goods in long-distance transportation trucks, which belong to different customers is proposed. It was divided in three parts to be investigated in parallel; development of a method for detection of the presence of goods inside trucks, development of a method for data transfer between the localization device and the outside of the truck and development of a localization algorithm for tracking of goods in real time. For the detection of the presence of the goods inside the truck, more cellular localization devices can be used or one or more in combination with 433 MHz (amplitude-shift keying) ASK transceivers and receivers or (radio frequency identification) RFID technology. Wireless transceivers could be found on each good and they would send their presence data to the localization device. For data transfer between the studied localization device and the outside of the truck; LTE, GSM, HSPA and UMTS technologies are used. A signal amplification circuit was developed to improve the sensibility of the device and compensate the attenuation caused by the signal loss caused by the passage through the truck's metallic trailer acting as a closed box or as a Faraday cage. For the localization of the device, the method of cell localization, the triangulation and the GPS technology are studied. The actual results show that we can achieve the purpose of building a device prototype and that most of the time, we are able to localize each good with precision lower than 1km for cell identification and triangulation. The average distance between the device and the location methods obtained by measures is about 560m in an urban area.


identifier: Zivanovic, M. (2018). Temperature-Compensated Microstrip Antenna for Ice Measurement and Wireless Sensor Network  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et de développer une technique de compensation de température liée à la fréquence de résonance d'une antenne microruban. Une telle antenne microruban compensée en température, capable de résister à une variation importante de température, est utilisée comme une partie d'un capteur pour mesurer l'épaisseur de la charge de la glace. Les antennes microruban conçues de cette manière sont utilisées dans un réseau de capteurs de température sans fil en relation avec ses applications critiques d'un système de dégivrage d'hélicoptère. Un prototype de réseau de capteurs de température sans fil qui contrôle à distance la mise en marche ou l'arrêt des appareils de chauffage destinés au dégivrage est développé. Parmi toutes les autres antennes, l'antenne microruban est sélectionnée en raison de sa polyvalence. Aussi, sa fréquence de résonance souffre d'un problème de stabilité due à sa susceptibilité à des facteurs externes tels que les fluctuations de température. En plus, sa résonance provoquant une largeur de bande de fréquence étroite ne conduit pas à une solution directement préférée. Pour minimiser l'instabilité de fréquence induite par la température et aussi pour éviter de perdre le signal ou les interférences des canaux adjacents, on a besoin de développer une technique de compensation de température très efficace et pratique. Dans ce travail, une technique de compensation de la température efficace et pratique est conçue pour les antennes microruban. La technique de compensation imagée est supérieure à la technique existante, tant dans sa simplicité que dans sa stabilité en fréquence. A notre, connaissance, rien de semblable n'a été fait auparavant. Pour la première fois, la dépendance de la fréquence de résonance de l'antenne microruban en fonction de la température est étudiée à l'aide d'une formulation mathématique de la déviation de fréquence pour les géométries rectangulaires, circulaires et triangulaires. Le modèle de circuit est adopté pour l'analyse de l'impact de la température sur la fréquence de résonance de l'antenne microruban appropriée pour les procédures de CAO (conception assistée par ordinateur). Les simulations électromagnétiques sur les résultats de la théorie de déviation du modèle de circuit adopté. Les résultats de l'impact de la température sur la dérive de fréquence des antennes microruban résonnant à 2,4 GHz modélisées sur différents substrats sont présentés et comparés.  ABSTRACT: The primary goal of this thesis is to devise and develop a technique of temperature compensation related to the resonant frequency of a microstrip patch antenna (MPA). Such a temperature-compensated microstrip patch antenna capable of standing against a substantial variation of temperature is exploited as part of an ice-sensor for measuring ice loading thickness. Microstrip antennas designed in this way are used in a wireless temperature sensor network in connection with its critical applications of a helicopter de-icing system. A prototype of wireless temperature sensor network which remotely controls turning-on or turning-off heaters intended for de-icing is developed. Among all other antennas, the microstrip antenna is selected due to its versatility. Thanks to the susceptibility of the microstrip patch antenna to external factors, such as temperature fluctuations, its resonant frequency suffers from a stability issue. In addition to that, its resonance causing a narrow frequency bandwidth does not lead to a straightforwardly preferred solution. To minimize the temperature-induced frequency instability and also to prevent losing signal or interferences from adjacent channels, one needs to develop a very efficient and practical temperature compensation technique. In this work, an efficient and practical technique through a resonant frequency temperature compensation for microstrip patch antennas is devised, which is superior to existing counterparts both in its simplicity and frequency stability. To the best of the author`s knowledge, nothing similar was done before. For the first time, a temperature dependence of microstrip antenna resonant frequency is investigated through a mathematical formulation of frequency drift for rectangular, circular, and triangular patch geometries. The circuit model for analyzing temperature impact on microstrip antenna resonant frequency suitable for computer-aided design (CAD) procedures is adopted. Electromagnetic simulations along with results of the adopted circuit model support the derived theory. Results of temperature impact on the frequency drift of microstrip antennas resonant at 2.4 GHz modelled on different substrates are shown and compared. Analysis, simulation, and experimental results show that antennas built on thicker substrates exhibit a better temperature behaviour of the resonant frequency. Based on a theoretically formulated frequency drift, a temperature compensation condition for the rectangular patch geometry of MPA is derived.


identifier: Beauregard-Harvey, O. (2018). Amélioration des prévisions immédiates du vent et de la production éolienne  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le vent est une variable météorologique extrêmement difficile à prédire. Augmenter la précision des prévisions de vent à court terme (jusqu'à 12 heures à l'avance) est nécessaire pour optimiser les opérations des parcs éoliens, maximiser leur rendement, et favoriser leur développement. L'objectif de ce projet est donc d'améliorer les techniques existantes de prévision des vitesses de vent et de la puissance produite par les éoliennes. Suite à une revue de littérature approfondie des techniques de prévision du vent, le filtre de Kalman est identifié comme l'approche la plus prometteuse. Il s'agit d'une méthode adaptative de correction de l'erreur associée aux modèles de prévision physiques, qui peut être appliquée presque instantanément puisqu'elle ne nécessite pas de longue période d'entraînement sur un ensemble de données historiques. La plupart des approches récentes reposent sur les prévisions de vitesse de vent uniquement comme paramètre d'entrée, alors qu'il a été mentionné à plusieurs reprises dans la littérature que l'ajout d'autres variables, notamment la direction du vent, devrait être considéré pour améliorer la précision des modèles. Il a déjà été démontré pour certaines approches (par exemple, les réseaux de neurones artificiels), que la direction permettait de réduire l'erreur moyenne. En revanche, l'ajout de la direction dans les modèles de filtre de Kalman appliqués à la vitesse du vent ou à la puissance n'a pas été étudié à ce jour. Dans le cadre de ce projet, une nouvelle méthode est proposée, selon laquelle des filtres de Kalman sont modélisés de façon à tenir compte de la direction du vent comme paramètre d'entrée. Le biais entre les prévisions brutes d'un modèle de prévision numérique du temps et les observations est modélisé de façon non linéaire, en fonction de la vitesse et la direction du vent. Pour la prévision de la puissance, deux approches sont développées pour les cas où des observations de vitesse de vent ne sont pas disponibles. D'une part, un filtre de Kalman est appliqué à la puissance directement afin d'estimer son biais. D'autre part, une technique selon laquelle les puissances observées sont converties en vitesses de vent fictives par la courbe de puissance inverse est introduite, dans le but d'appliquer les filtres sur la vitesse du vent. Les données historiques de prévision et d'observation de 20 sites situés en Europe et en Amérique du Nord sont utilisées pour analyser la performance des modèles. Afin de quantifier la précision des différents modèles, plusieurs indicateurs sont calculés, notamment le biais, le Mean Absolute Error (MAE) et le Root-Mean-Square Error (RMSE).  ABSTRACT: Short term wind speed and wind power production have been studied thoroughly in the last decades. Wind is a highly fluctuating meteorological parameter, and improving the accuracy of wind speed forecasts is essential to favor the expansion of the wind energy sector, and thus lower our dependence on fossil fuels. Essentially, enhancing the quality of short term wind speed forecasts (up to 12 hours ahead) is necessary in order to optimize wind farm operations and maximize their economic profitability. The purpose of this project is therefore to improve existing wind speed and wind power output prediction techniques. Following a comprehensive literature review, the Kalman Filter appears as the most promising approach. It is an adaptive method that corrects the bias associated to the Numerical Weather Prediction (NWP) models, and which can be applied almost instantly without prior training on an extensive set of historical data. Most of the recent techniques rely exclusively on wind speed data input, while it is mentioned numerous times in literature that more input parameters, particularly wind direction, should be considered in order to improve forecast accuracy. It has already been shown that for some approaches, such as Artificial Neural Networks, the addition of wind direction leads to reduced forecast errors. However, introducing wind direction into the Kalman Filter models has not been studied to this date. In this project, a novel approach is introduced, where Kalman Filter algorithms are used to estimate the bias of NWP forecasts as non-linear functions of wind speed and wind direction. As for wind power forecast, two techniques are introduced for wind farms where power measurement is the sole available data. Firstly, wind power bias is estimated by a Kalman Filter applied to power forecasts. Secondly, an Inverse Power Curve Transformation is used to convert observed power production into estimated wind speed values to then apply the filter directly on wind speeds. The forecast values of wind speed are then converted back into power forecasts with the usual power curve. Historical measurement and forecast data from 20 wind farms located throughout Europe and North America have been made available for this study. In order to quantify the accuracy of the models developed in this research, various performance indicators were used, such as bias, Mean Absolute Error (MAE) and Root-Mean-Square Error (RMSE). For Kalman Filters applied on wind speed, the first order polynomial has shown the best results, whereas for power output, higher order polynomials have shown better performances in correcting the bias. Furthermore, the addition of wind direction into the bias modeling allows achieving higher accuracy for all of the studied approaches.


identifier: Trapy, P.-H. (2018). Modélisation d'équilibre de phase prédictive des faciès d'altération associés aux gîtes à oxydes de fer-cuivre-or dans les terrains de hauts grades métamorphiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les altérations hydrothermales liées à la mise en place de gisements à oxydes de fer cuivre-or (IOCG) sont variées, intenses et séquencées. Leurs ampleurs et leurs associations systématiques avec différentes minéralisations polymétalliques rendent leur reconnaissance d'une importance primordiale pour la découverte des gisements. Les compositions chimiques des roches altérées cessent de dépendre de la composition initiale des protolithes, et l'utilisation des méthodes de modélisation d'équilibre de phases, comme les sections de diagrammes de phase isochimique (« pseudosection ») et les diagrammes chémographiques, permettent la prédiction des paragenèses types de ces faciès d'altération une fois métamorphisés à haut grade.  ABSTRACT: Identification of alteration facies is an important factor for Iron Oxide Copper-Gold deposit (IOCG) exploration because they show a typical regional and deposit-scale zoning and have predictable polymetallic mineralization associations. The high intensity of IOCG alteration often lead to complete transformation of precursor rocks, thus altered rock geochemical signatures are no longer controlled by protolith composition. After a regional metamorphism overprint episode, IOCG alteration facies could present a typical metamorphic parageneses that could be predicted by phase equilibria modelling using the Gibbs energy minimization methods.


identifier: De Tillieux, L. P. (2018). Tomographie par induction magnétique : une formulation par équation intégrale volumique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La tomographie par induction magnétique (TIM) est une technique d'imagerie qui cherche à reconstruire une carte des propriétés électriques passives d'un objet. Ses principaux domaines d'application sont le contrôle non-destructif, le sondage géologique et l'imagerie biomédicale. Des projets de recherche récents ont démontré que la tomographie par induction magnétique biomédicale est applicable, par exemple, à la détection d'accidents cérébraux vasculaires, à la mesure inductive de la conductivité de plaies et à l'imagerie pulmonaire. En comparaison avec les autres techniques d'imagerie biomédicale, la TIM a l'avantage d'utiliser un champ nonionisant, de ne pas nécessiter de contact direct avec les tissus et d'être très peu dispendieuse, ne nécessitant essentiellement qu'une bobine d'induction et une de mesure. À cause de la simplicité du matériel nécessaire et de son très faible coût d'utilisation, le développement de systèmes de TIM performants a le potentiel de grandement améliorer la détection des pathologies mentionnées précédemment en permettant à davantage de gens de bénéficier d'une technologie d'imagerie biomédicale. Ces aspects techniques la rendent particulièrement profitable aux populations en régions rurales où l'accès à des hôpitaux possédant des appareils d'imagerie plus sophistiqués est difficile. Les principaux inconvénients de la TIM sont sa faible résolution (par exemple par rapport à l'IRM), son champ diffusé très faible et son coût de calcul très élevé pour la reconstruction d'images. Il a été montré que la faible résolution n'est pas problématique pour certaines applications telles que la détection d'accidents cérébraux vasculaires. Dans les dernières années, le développement de capteurs ultrasensibles, par exemple les capteurs à magnéto-impédance géante, a permis la détection de variations très faibles du champ magnétique, ce qui permet de traiter le problème du faible champ diffusé. Le dernier aspect, le coût de calcul élevé pour la reconstruction d'images, est celui traité dans ce projet. Puisque la TIM opère à basse fréquence (de quelques kHz à quelques dizaines de MHz), le patron de diffraction est plus complexe à évaluer que pour d'autres méthodes d'imagerie, par exemple la tomographie par rayons X. Pour évaluer le champ magnétique diffusé par l'objet d'intérêt aux détecteurs, les équations de Maxwell qui décrivent l'interaction des ondes électromagnétiques avec la matière, doivent être résolues. Des solutions analytiques au problème de diffusion existent pour des géométries très simples, par exemple pour une sphère illuminée par une onde plane, mais pour des géométrie plus complexes des méthodes numériques doivent être utilisées afin de trouver une solution approximative.  ABSTRACT: Magnetic induction tomography (MIT) is a biomedical imaging method that aims to reconstruct the passive electrical properties of an object. The main areas of applications are non-destructive evaluation, geological surveys and biomedical imaging. Recent research has shown that biomedical MIT is applicable for example to stroke detection, inductive measurement of wound conductivity and lung imaging. In comparison with other imaging methods, MIT has the benefits of using a non-ionizing field, of being contactless and of being very cheap, basically requiring only an inducing and a measuring coil. Because of the simplicity of its apparatus and its low operating cost, the development of efficient MIT systems could greatly increase the detection of the aforementioned pathologies by allowing more people to have access to a biomedical imaging system. These technical aspects make this imaging technique especially useful to rural populations, where the access to hospitals with sophisticated apparatus is not available. The main drawbacks of MIT are its low resolution (e.g. compared to MRI), it's weak scattered field and the high computation cost implied in image reconstruction from the magnetic field data. It was shown that the low resolution still allows the detection of certain pathologies such as ischemic strokes. In the last years, the development of very sensitive magnetic field sensors, such as giant magnetoimpendance sensors, has allowed the detection of very small perturbations in the magnetic field. The last issue, the high computation cost in image reconstruction, is the one being tackled by this project. Because of the low frequency range of MIT, the diffraction pattern is more complex than other imaging methods such as X-ray tomography. In order to evaluate the scattered magnetic field at the sensors, one has to solve the Maxwell equations, which describe the interaction between electromagnetic waves and matter. Analytical solutions exist for very simple cases, such as a sphere under a plane wave illumination. For more complex geometries, numerical methods must be employed to find an approximate solution to the problem. State of the art numerical methods either apply approximations in order to reduce the complexity of the equations, or use differential methods or surface integrals. Approximate methods include either the “quasistatic” approximation, the “low conductivity” approximation or a combination of both. This allows for a reduction of the full wave equation, which is complex to solve, to a simpler case such as a Poisson equation. This greatly reduces the computation cost, but it is done at the expense of numerical accuracy.


identifier: Edahbi, M. (2018). Prédiction du comportement géochimique des rejets miniers porteurs de terres rares  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les éléments de terres rares (REE), appelés aussi lanthanides, désignent un groupe de 17 éléments chimiques (lanthane (La) jusqu'au lutétium (Lu), plus scandium (Sc) et l'yttrium (Y). Ils sont associés essentiellement à des phases minérales de types carbonates, silicates, et/ou phosphates. Les REE sont devenus de nos jours des matières premières hautement stratégiques et indispensables à certaines industries (i.e., véhicules électriques et hybrides, systèmes de radar, batteries rechargeables, téléphones cellulaires, écrans LCD, produits électroniques, etc.). Ils sont contrairement à ce que suggère leur appellation, ils ne sont pas des « terres » mais plutôt des métaux et ils ne sont pas « rares » car ils sont assez répandus dans l'écorce terrestre. Ils sont présentsdans la nature sous forme de minéraux d'aspects terreux. Ils s'y retrouvent en quantité plus abondante que le plomb, et que l'argent mais ils sont rarement trouvés dans des concentrations rentables à exploiter (ils demeurent dilués dans la croûte terrestre). Le qualificatif « rare » signifie la rareté des technologies pour les extraire et les séparer. Parmi leurs particularités, on peut mentionner leur association fréquente avec d'autres éléments (i.e., Zr, Th, U, Ba, F, etc.), et ils sont difficiles à séparer les uns des autres.  ABSTRACT: The rare earth elements (REE) consist of seventeen chemical elements (fifteen lanthanides, La to Lu, as well as Y and Sc). In ore deposits, REE are primarily associated with carbonate, silicate, and phosphate minerals. REE are currently considered as strategic metals for modern industrial requirements largely due to their wide range of applications, which include uses in: hybrid vehicles, radar systems, rechargeable batteries, mobile phones, flat screen display panels, compact fluorescent light bulbs, and other electronic products. Contrary to what their name suggests, the REE are no particularly rare. In fact, they are more abundant in the Earth's crust than lead (Pb) and are several orders of magnitude more abundant than silver (Ag); their abundance is also similar to chromium (Cr) and nickel (Ni). However, the term "rare" is apt for describing the scarcity of economically viable deposits of REE, and the difficulty inherent to physically separating the REE from one another because of their similar chemical properties. Additionally, REE-bearing minerals are often contaminated with actinides such as thorium and uranium, and other elements (e.g., F, Zr, Ba). At present (2017),


identifier: Léveillé, G. (2018). Une étude numérique du comportement sismique d'un parc à résidus  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La stabilité des parcs à résidus est une priorité pour l'industrie minière en raison des conséquences graves qui peuvent être engendrées par une rupture. En raison de leur très longue durée de vie, les parcs à résidus situés en régions de sismicité modérée doivent être conçus pour un aléa sismique considérable. Typiquement, la stabilité sismique est évaluée au moyen de méthodes analytiques développées pour les barrages conventionnels et leur pertinence par rapport aux parcs à résidus miniers est incertaine.  ABSTRACT: The stability of tailings impoundments is a priority for the mining industry because of the serious consequences that may be associated with a failure. Due to their long lifespans, these structures must be designed to resist significant seismic loads, even in regions with moderate seismicity. Seismic stability is typically evaluated using analytical methods developed for water retention dams and their applicability to tailings impoundments is uncertain.


identifier: Sakr, A. (2018). Dually-Polarized Microwave Components Based on Polarization-Selective Coupling for Green Wireless Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec le développement rapide et continu de technologies et de réseaux sans fil de nouvelle génération tels que la 5G et avec les ressources limitées d'énergie et de spectre disponibles pour soutenir ces développements sans fil rapides, l'exploration des bandes millimétriques sous-utilisées devient incontournable. Il devient de plus en plus crucial de se concentrer sur la réduction de la consommation d'énergie dans les futurs systèmes sans fil. Le moyen le plus efficace de réception d'énergie d'onde électromagnétique est de capturer complètement les deux composantes orthogonales de son vecteur de champ de propagation en relation avec la diversité de polarisation. De plus, l'utilisation d'ondes bi-polarisées permet l'amélioration d'une capacité de transmission via la réception simultanée de deux canaux orthogonaux. Cette thèse montre comment proposer et exploiter le concept très original de la diversité de polarisation sur la bande de fréquences mmW qui a été assignée aux applications sans fil. Auparavant, la diversité de polarisation était mise en oeuvre dans des profils non planaires, ce qui compliquait son intégration avec l'application de carte de circuit imprimé (PCB). Par conséquent, la motivation principale de cette thèse est de mettre en oeuvre la diversité de polarisation dans les profils planaires aux bandes de fréquence récemment assignées autour de 28 GHz et 38 GHz pour être intégrée dans la cinquième génération (5G) de communication sans fil. Ceci est fait en développant la théorie du fonctionnement et de la procédure de conception des composants MMW à double polarisation. La nouveauté présentée dans ce travail de thèse réside dans le développement d'un principe de fonctionnement permettant de concevoir et de mettre en évidence une classe de composants mmW bi-polarisés, à savoir les coupleurs 3dB, les coupleurs 0dB et les déphaseurs. Cela permet le développement de réseaux de formation de faisceau bi-polarisés tels que la matrice de Butler et les systèmes de télédétection à polarisation, basés sur une jonction à six ports à double polarisation. Une procédure de conception analytique complète est présentée avec des vérifications à travers des simulations pleine onde et des mesures de prototypes. La diversité de polarisation a été un facteur essentiel dans la performance et l'amélioration de la capacité de divers systèmes sans fil, y compris les réseaux cellulaires. Par conséquent, la conception et le développement de structures d'alimentation d'antenne bi-polarisées dans la bande mmW sont indispensables.  ABSTRACT: With the rapid and continuous development of new generation wireless technologies and networks such as 5G and with the limited enabling energy and spectrum resources available in support of such fast-moving wireless developments, exploring the underutilized millimeter-wave (mmW) bands becomes inescapable. It becomes more and more crucial to focus on the reduction of energy use in future wireless systems. The most efficient way of electromagnetic wave energy reception is to fully capture the two orthogonal components of its propagating field vector in connection with polarization diversity. In addition, the use of dually-polarized waves allows the enhancement of a transmission capability via the simultaneous reception of two orthogonal channels. This thesis shows how to propose and exploit the highly original concept of polarization diversity over the mmW frequency band which has been assigned for wireless applications. Previously, the polarization diversity was implemented within non-planar profiles which complicates its integration with the printed circuit board (PCB) application. Therefore, the main motivation of this thesis is to implement the polarization diversity within planar profiles at the recently assigned frequency bands around 28 GHz and 38 GHz to be suitable for integration in the fifth generation (5G) of wireless communication. This is done by developing the theory of operation and design procedure of dually-polarized mmW components. The novelty presented in this thesis work lies in developing a principle of operation to come up with the design and demonstration of a class of dually-polarized mmW components, namely 3dB couplers, 0dB couplers and phase shifters. This allows the development of dually-polarized beamforming networks such as Butler matrix and polarization-inclusive remote sensing systems based on a dually-polarized six-port junction. A full analytical design procedure is presented with verifications through full-wave simulations and prototype measurements. Polarization diversity has been an essential factor in the performance and capacity enhancement of various wireless systems including cellular networks. Accordingly, the design and development of dually-polarized antenna feeding structures in the mmW band is a must. Firstly, as the basic dual-polarized device, a compact orthomode transducer (OMT) design in the Ka-band is proposed. The novelty of the proposed OMT stems from a distinct concept of handling dually-polarized signals based on a polarization selective coupler (PSC).


identifier: Girard, F. (2018). Modélisation statistique des structures anatomiques de la rétine à partir d'images de fond d'oeil  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'examen non-invasif du fond d'oeil permet d'identifier sur la rétine les signes de nombreuses pathologies oculaires qui développent de graves symptômes pour le patient pouvant entraîner la cécité. Le réseau vasculaire rétinien peut de surcroît présenter des signes précurseurs de pathologies cardiovasculaires et cérébro-vasculaires. La rétine, où apparaissent ces pathologies, est constituée de plusieurs structures anatomiques dont la variabilité est importante au sein d'une population saine. Pour autant, les évaluations cliniques actuelles ne prennent pas en compte cette variabilité ce qui ne permet pas de détecter précocement ces pathologies. Ces évaluations se basent sur un ensemble restreint de mesures prélevées à partir de structures dont la segmentation manuelle est réalisable par les experts. De plus, elles sont basées sur un seuillage empirique déterminé par les cliniciens et appliqué sur chacune des mesures afin d'établir un diagnostic. Ainsi, les évaluations cliniques actuelles sont affectées par la grande variabilité des structures anatomiques de la rétine au sein de la population et elles n'évaluent pas les anomalies trop difficiles à mesurer manuellement. Dans ce contexte, il convient de proposer de nouvelles mesures cliniques qui tiennent compte de la variabilité normale à l'aide d'une modélisation statistique des structures anatomiques de la rétine. Cette modélisation statistique permet de mieux comprendre et identifier ce qui est normal et comment l'anatomie et ses attributs varient au sein d'une population saine. Cela permet ainsi d'identifier la présence de pathologies à l'aide de nouvelles mesures cliniques construites en tenant compte de la variabilité des attributs de l'anatomie. La modélisation statistique des structures anatomiques de la rétine est cependant difficile étant donné les variations morphologiques et topologiques de ces structures. Les changements morphologiques et topologiques du réseau vasculaire rétinien compliquent son analyse statistique ainsi que les outils de recalage, de segmentation et de représentation sémantique s'y appliquant. Les questions de recherches adressées dans cette thèse sont la production d'outils capables d'analyser la variabilité des structures anatomiques de la rétine et l'élaboration de nouvelles mesures cliniques tenant compte de la variabilité normale de ces structures. Pour répondre à ces questions de recherche, trois objectifs de recherche sont formulés.  ABSTRACT: Non-invasive retinal fundus examination allows clinicians to identify signs of many ocular conditions that develop critical symptoms affecting the patient and even leading to blindness. In addition, the retinal vascular network may present early signs of cardiovascular and cerebrovascular diseases. The retina, where these pathologies appear, is composed of several anatomical structures whose variability is considerable within a healthy population. Yet, current clinical evaluations do not take into account this variability, and this does not allow early detection of these pathologies. These evaluations are based on a limited set of measurements taken from structures whose manual segmentation is achievable by the experts. In addition, they are based on empirical thresholding determined by the clinicians and applied to each of the measurements to establish a diagnosis. Thus, current clinical assessments are affected by the large variability of anatomical structures of the retina within a healthy population and do not evaluate abnormalities that are too difficult to measure manually. In this context, it is advisable to propose new clinical measurements that take into account the normal variability using statistical modeling of the anatomical structures of the retina. Such a statistical modeling approach helps us to better understand and identify what is normal and how the anatomy and its attributes vary across a healthy population. This makes it possible to identify the presence of pathologies using new clinical measurements constructed by taking into account the variability of the anatomy's attributes. Statistical modeling of the anatomical structures of the retina is difficult, however, given the morphological and topological variations of these structures. Morphological and topological changes in the retinal vascular network complicate its statistical analysis as well as the registration methods, segmentation and semantic representation applied to it. The research questions proposed in this thesis pertain to creating tools capable of analyzing the variability of the anatomical structures of the retina and proposing new clinical measures that take into account the normal variability of those structures. To answer these research questions, three research objectives are formulated.


identifier: Meyer, L. (2018). Connectivity Optimization in Robotic Networks  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La collaboration entre multiple appareils électroniques (e.g. smartphones, ordinateurs, robots, senseurs et routeurs) est une tendance qui suscite un vif intérêt tant ses applications semblent prometteuses. Les maisons autonomes ou villes intelligentes figurent parmi la prodigieuse variété d'exemples. La communication entre appareils est une des clés du succès de leur coopération. Sans un bon système de communication, les appareils se retrouvent vite incapables d'échanger l'information nécessaire à la prise de décision. Pour garantir une bonne communication, il faut un réseau solide sur lequel elle puisse reposer. Nous pourrions envisager une organisation centralisée, puisqu'elles sont si répandues. Nos téléphones portables communiquent grâce à des antennes-relais ; et nous naviguons sur l'internet grâce à des routeurs. Dans un réseau centralisé, si un noeud principal, tel qu'une antenne ou un routeur, est défaillant, la capacité à communiquer en est dramatiquement diminuée. Or, certaines collaborations entre appareils interviennent, parfois, dans des situations où les infrastructures classiques ne sont pas accessibles. C'est le cas pour les opérations de sauvetages, où les moyens de communications classiques ont pu être endommagés à la suite d'un sinistre. D'autres organisations sont alors plus judicieuses. Dans les réseaux ad hoc, par exemple, il n'existe pas de noeud central, car chaque appareil peut servir au transit de l'information. Cette dissertation s'intéresse à la mise en place de réseaux ad hoc et mobiles entre smartphones et drones. Elle s'inscrit dans le cadre d'un partenariat, entre Humanitas Solutions et l'École Polytechnique de Montréal, qui vise à établir un moyen de communication basé sur ces appareils, pour connecter victimes et premiers secours lors d'opérations de sauvetages. Pour mener à bien ce projet, nous devons permettre aux appareils électroniques de communiquer sans recourir à quelconque infrastructure. Pour relayer l'information, nous devons également maintenir les drones connectés au-dessus de la zone sinistrée.  ABSTRACT: Because of their promising applications, the interest for machine-to-machine interaction has soared (e.g. between smartphones, laptops, robots, sensors, or routers). Autonomous homes and smart cities are just two examples among the many. Without a good communication system, devices are unable to share relevant information and take effective decisions. Thus, inter-device communication is key for successful cooperations. To guarantee suitable communication, devices need to rely on a robust network. One might think of classical centralized network architecture since it is so common – antennae relay our smartphone communications, and routers provide us with an Internet connection at home. However, this architecture is not adequate for every application. When a central node (e.g. an antenna or a router) fails, it can cripple all the network. Moreover, fixed infrastructure is not always available, which is detrimental for applications like search and rescue operations. Hence, other network designs can be more suitable, like ad hoc networks, where there is no central node and every device can route information. This work aims at establishing mobile ad hoc networks between multiple devices for search and rescue operations. This thesis is framed by a partnership between Humanitas Solutions and École Polytechnique de Montréal, whose goal is to relay information between victims and first responders by the use of smartphones and flying robots (i.e. drones). For this purpose, we have to enable infrastructureless communications between devices and maintain drones connected over the disaster area.


identifier: Verdier, P. (2018). Caractérisation de composés thermoélectriques à base de Mg2Si extrudés à chaud  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans tous les secteurs industriels aussi bien que dans la vie de tous les jours, les pertes d'énergie liées à la dissipation de la chaleur sont énormes et inévitables. Grâce aux modules thermoélectriques, il est possible de convertir directement l'énergie thermique en électricité, ce qui peut mener à des économies d'énergie en réutilisant la chaleur résiduelle perdue. Le laboratoire de thermoélectricité de l'École Polytechnique de Montréal s'intéresse à un matériau thermoélectrique particulier, le siliciure de magnésium (Mg2Si), qui possède comme avantages que les éléments qui le constituent sont abondants sur la planète, peu chers et non toxiques. Dans une optique de production industrielle à grande échelle, la technique d'extrusion à chaud est en train d'être développée pour le Mg2Si, après avoir été développée avec succès pour d'autres matériaux thermoélectriques. À ce titre, plusieurs études de caractérisation du processus d'extrusion et des échantillons produits sont réalisées. De la poudre de Mg2Si additionnée de lubrifiant solide sous la forme de particules de MoS2 à 2 at.% est utilisée comme matériau de départ pour l'extrusion. Les échantillons produits sont homogènes d'un point de vue microstructural et présentent des propriétés thermoélectriques isotropes. La variation de la température d'extrusion permet de mettre en évidence la dépendance des propriétés thermoélectriques envers ce paramètre d'extrusion. La température d'extrusion de 600 °C est la valeur la plus haute atteignable par l'équipement du laboratoire et est retenue comme température d'extrusion de référence du fait qu'elle permette d'obtenir des échantillons avec les plus hautes valeurs de figure de mérite. La caractérisation des transformations subies par le matériau durant le processus d'extrusion est réalisée en comparant trois échantillons extraits à différents endroits dans la filière. L'échantillon situé le plus près de la sortie de la filière possède les meilleures propriétés thermoélectriques, avec une valeur de figure de mérite record pour ce projet de 0.32 à 700 K. La chute de la conductivité thermique due à une légère augmentation de porosité (2%), elle-même potentiellement liée à la diminution du volume des joints de grains moins denses que la maille cristalline, semble en être la raison principale. Les expériences réalisées permettent de mettre en évidence l'existence du phénomène de recristallisation présent durant l'extrusion, qui permet l'amélioration des propriétés électroniques du matériau au travers de la disparition des défauts de la maille cristalline et de la croissance des grains. Les résultats des études réalisées valident la pertinence du choix de l'extrusion à chaud comme procédé de production de Mg2Si, tout en offrant une meilleure compréhension des transformations apportées au matériau.  ABSTRACT: Waste heat is an unavoidable consequence of most industrial processes, and also observed on a daily basis. Thermoelectric devices offer the possibility to recover waste heat by direct conversion of heat to electricity, leading to energy savings. Present research in the thermoelectricity laboratory of Polytechnique Montréal is centered on magnesium silicide (Mg2Si) due to the numerous advantages it offers, such as the earth crust abundance, low cost and non-toxicity of its constituent elements. Following previous success of its application to other thermoelectric materials, the hot extrusion method is being developed for Mg2Si, with potential industrial scale applications. We have developed several characterization studies of the hot extrusion process as well as the samples produced by this method. The starting powder for the extrusion process is composed of 2 at.% MoS2 particles incorporated to Mg2Si powder. The extruded samples present a homogeneous microstructure and isotropic thermoelectric properties. Better thermoelectric properties are to be found with higher extrusion temperatures, leading to the choice of 600°C (highest achievable temperature in the laboratory) to be the reference temperature. By taking three samples from the same lot in different locations inside the extrusion die, it is possible to characterize the material transformations through the extrusion process. The sample located at the exit of the die shows a figure of merit value of 0.32 at 700 K. The main reason for this best value is due to a decrease in the thermal conductivity caused by a small increase in porosity (2%) through the extrusion process that could be linked to the volume decrease of less dense grain boundaries. Our characterization experiments highlight the existence of a recrystallization phenomenon during the extrusion, enabling grain growth and leading to the enhancement of the electronic transport properties. Our results confirm the choice of hot extrusion as an efficient strengthening process for Mg2Si potentially capable of achieving state-of-the-art thermoelectric properties. They also provide a better understanding of the different transformations that take place inside the material during the hot extrusion process.


identifier: Gagnon, S. (2018). Improvement and Integration of Counting-Based Search Heuristics in Constraint Programming  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire s'intéresse à la programmation par contraintes, un paradigme pour résoudre des problèmes combinatoires. Pour la plupart des problèmes, trouver une solution n'est pas possible si on se limite à des mécanismes d'inférence logique; l'exploration d'un espace des solutions à l'aide d'heuristiques de recherche est nécessaire. Des nombreuses heuristiques existantes, les heuristiques de branchement basées sur le dénombrement seront au centre de ce mémoire. Cette approche repose sur l'utilisation d'algorithmes pour estimer le nombre de solutions des contraintes individuelles d'un problème de satisfaction de contraintes. Notre contribution se résume principalement à l'amélioration de deux algorithmes de dénombrement pour les contraintes alldifferent et spanningTree; ces contraintes peuvent exprimer de nombreux problèmes de satisfaction, et sont par le fait même essentielles à nos heuristiques de branchement. Notre travail fait également l'objet d'une contribution à un solveur de programmation par contraintes open-source. Ainsi, l'ensemble de ce mémoire est motivé par cette considération pratique; nos algorithmes doivent être accessibles et performants. Finalement, nous explorons deux techniques applicables à l'ensemble de nos heuristiques: une technique qui réutilise des calculs précédemment faits dans l'arbre de recherche ainsi qu'une manière d'apprendre de nouvelles heuristiques de branchement pour un problème.=  ABSTRACT: This thesis concerns constraint programming, a paradigm for solving combinatorial problems. The focus is on the mechanism involved in making hypotheses and exploring the solution space towards satisfying solutions: search heuristics. Of interest to us is a specific family called counting-based search, an approach that uses algorithms to estimate the number of solutions of individual constraints in constraint satisfaction problems to guide search. The improvements of two existing counting algorithms and the integration of counting-based search in a constraint programming solver are the two main contributions of this thesis. The first counting algorithm concerns the alldifferent constraint; the second one, the spanningTree constraint. Both constraints are useful for expressing many constraint satisfaction problems and thus are essential for counting-based search. Practical matters are also central to this work; we integrated counting-based search in an open-source constraint programming solver called Gecode. In doing so, we bring this family of search heuristics to a wider audience; everything in this thesis is built upon this contribution. Lastly, we also look at more general improvements to counting-based search with a method for trading computation time for accuracy, and a method for learning new counting-based search heuristics from past experiments.


identifier: Guo, J. (2018). Mode Composite Waveguide for 5G and Future Wireless Communication Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans les systèmes de communication sans fil modernes, les fonctionnalités haut-débit et multi-bande des circuits RF et micro-ondes sont de plus en plus requises dans des systèmes intégrés et compacts. La bande de fréquence actuellement utilisée pour les communications sans fil commerciales comprend les bandes aux alentours de 900 MHz, 1,9 GHz, 2,45 GHz, 3,5 GHz et 5,8 GHz pour la téléphonie mobile, l'Internet sans fil et la connectivité des capteurs. Les nouvelles bandes millimétriques comme la bande de fréquence V (57-66 GHz) et la bande E (71-76 GHz et 81-86 GHz) sont utilisées pour la connectivité des microcellules et du coeur du réseau. Le nouveau standard des communications sans fils 5G nécessite l'exploitation parallèle de bandes de fréquences, à savoir les basses et les hautes fréquences, permettant ainsi d'aller au-delà de la capacité des systèmes de communications actuels. D'une part, la demande croissante pour un meilleur débit de données nécessite une bande de fréquence beaucoup plus large, ce qui justifie le recours vers la bande de fréquences millimétriques. D'autre part, le standard LTE ainsi que les autres systèmes de communication à grande couverture doivent être développés de manière compatible avec les bandes de fréquences en bas de 6 GHz et celles qui sont au-delà de 6 GHz. Par conséquent, la mise au point de nouveaux systèmes intégrés et à bas coût capables d'opérer sur fréquences UHF et millimétriques s'avère essentielle pour le standard sans fil émergent (5G). Dans cette thèse, une nouvelle méthode de conception de circuits intégrés RF large bande et multi-bande, appelée guide d'ondes à modes composites (MCW), est proposée et étudiée. Le MCW est constitué d'une structure à double guide d'ondes interne et externe, où la structure externe agit comme une ligne coaxiale rectangulaire adaptée pour les basses fréquences, tandis que la structure interne fonctionne comme un guide d'onde rectangulaire pour les hautes fréquences, ce qui rend la structure plus simple, plus compacte et à faibles pertes d'insertion. Le MCW est susceptible de propager des signaux au sein du guide d'ondes interne suivant le mode TE10 et/ou au sein du guide d'onde externe avec le mode TEM en fonction de la fréquence, permettant ainsi d'aboutir à des performances optimales pour les deux bandes de fréquences (basse et haute). Pour ce faire, les paramètres fondamentaux du guide d'ondes et les modes d'ordre supérieur du MCW sont théoriquement étudiés.  ABSTRACT: In modern wireless communication systems, broadband and multiband functionalities of RF and microwave circuits are often required in a highly integrated and geometrically compact front-end systems. The currently used frequency band for commercial wireless communication includes the lower bands of 900 MHz, 1.9 GHz, 2.45 GHz, 3.5 GHz and 5.8 GHz for mobile phone, wireless internet and sensor connectivity, as well as the emerging millimeter-wave (mmW) bands of V-band (57-66 GHz) and E-band (71-76 GHz and 81-86 GHz) for small cell and backhaul connectivity. The emerging 5G wireless communication system requires the deployment of both low- and high-dual frequency bands in a simultaneous manner, which should extend far beyond the capability of existing mobile communication systems. On one hand, the increasing demand for higher speed wireless data transmission requires a much larger bandwidth, where the mmW bands shall be exploited to accommodate such a bandwidth increase. On the other hand, the LTE and other long-ranged wireless platforms need to be developed in a backwards-compatible way, and it is also very important to accommodate the frequency bands below 6 GHz or sub-6-GHz frequency ranges. Therefore, the development of a low-cost and integrated hardware solution is essential for the 5G and future wireless communication systems, which should be able to support the emerging wireless deployments over an unprecedented wide UHF-to-mmW frequency range. In this thesis, the development of a broadband or multi-band hardware design platform or building technology, called mode composite waveguide (MCW), is proposed and addressed. The MCW consists of inner and outer wave-guiding duo structures, where the outer structure acts as a rectangular coaxial line suitable for lower frequency operation for its compact size, while the inner structure works as a rectangular waveguide suitable for higher frequency operation thanks to its simple structure and low loss. The MCW can propagate signals in the inner waveguide with TE10 mode and/or the outer waveguide with TEM mode depending on frequency to achieve optimal performance for both low and high frequency operations.


identifier: Hulot, P. (2018). Towards Station-Level Demand Prediction for Effective Rebalancing in Bike-Sharing Systems  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes de vélos en libre-service sont utilisés à l'échelle mondiale pour soulager la congestion et apporter une solution aux problèmes environnementaux dans les villes. De nos jours, presque toutes les grandes villes ont un tel système. Ces systèmes sont très pratiques pour les utilisateurs qui n'ont pas besoin de faire l'entretien du vélo et peuvent le rendre presque partout dans la ville. Cependant, le nombre croissant d'abonnés et la demande aléatoire rendent la planification opérationnelle du système très difficile. Prédire la demande en vélos a été l'objet de nombreuses recherches dans la communauté scientifique. Cependant, la plupart des travaux ont cherché à prédire la demande globale du réseau, qui n'est généralement pas suffisante pour améliorer la planification opérationnelle. En effet elle nécessite des prévisions spécifiques pour chaque station et à des moments précis de la journée. Ces travaux ont montré qu'une variation significative du trafic peut être liée à des comportements réguliers, et à des facteurs externes tels que les heures de pointe ou les conditions météorologiques. En particulier, de nombreux opérateurs utilisent des intervalles pour combler les lacunes dans la prédiction du trafic. Cependant, très peu de travaux ont cherché à correctement définir ces intervalles. Dans cette recherche, nous nous concentrons sur la modélisation de la distribution statistique du nombre de déplacements qui se produisent à chaque heure et chaque station. Ce modèle ne se contente pas de prédire l'espérance du nombre de voyages prévus, mais aussi la probabilité de chaque nombre de départs et d'arrivées par station en utilisant la demande historique. Le modèle mis en place est composé de trois parties. Tout d'abord, nous estimons, en utilisant des techniques d'apprentissage machine, le nombre de trajets attendus à chaque station. Puis, nous calculons la confiance sur la première prédiction (variance attendue). Enfin, nous déterminons la bonne distribution à utiliser.  ABSTRACT: Bikesharing systems are globally used and provide relief to congestion and environmental issues in cities. Nowadays, almost all big cities have a bicycle-sharing system. These systems are very convenient for users that don't need to do maintenance of the bicycle and can return it almost everywhere in the city. However, the increasing number of subscribers and the stochastic demand makes the operational planning of the system very difficult. Predicting bike demand has been a major effort in the scientific community. However, most of the efforts have been focused on the prediction of the global demand for the entire system. This is typically not sufficient to improve the operational planning, which requires demand predictions for each station and at specific moments during the day. A significant variation of the traffic can be linked to regular behaviors, and external factors as peak hours or weather. In particular, many system operators use fill level intervals which guide the redeployment crews in their efforts to equilibrate the system. However, little work has been done on how to effectively define those fill levels. In this research, we focus on modeling the distribution of the number of trips that occur at each hour and each station. This model not only seeks to predict the number of expected trips, but also determines as precisely as possible the expected distribution of trips. It uses the historical observed demand to predict future demand. The prediction model is composed of three parts. First, we estimate from historical data the expected number of trips, using machine learning techniques that use features related to weather and time. Second, we compute the confidence of the first prediction (expected variance). Finally, we focus on determining the right distribution to use. The first part uses a two-step algorithm that first reduces the problem to a simpler one, minimizing the information lost, then learns a predictive algorithm on the reduced problem. The prediction process inverts this mechanism. Several simplification and prediction methods are tested and compared in terms of precision and computing times. The final test compares distribution estimations in terms of log likelihood. The results show that the choice of the best algorithm depends on the station. Then a combined model is proposed to better model the demand. Our models are tested on several networks (Montreal, New York and Washington). Finally, this model is used to define an online rebalancing strategy close to the one used by Bixi at Montreal. This strategy has been deployed in Montreal.


identifier: Hussain, S. A. (2018). Dynamic Modeling and Intermittent Operation of a Flow-Through Microbial Electrolysis Cell  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La pile microbienne électrolytique (MEC) représente une nouvelle technologie qui peut être appliquée pour le traitement des eaux usées combiné avec la production d'hydrogène ou de biogaz. La MEC est un dispositif bioélectrochimique, qui contient une anode et une cathode connectées à une alimentation externe. La modélisation dynamique et l'optimisation de réacteurs basés sur une MEC représentent plusieurs défis. Cette thèse commence par la présentation de la MEC de type « circuit équivalent électrique » (EEC), qui fournit un outil pour la surveillance en temps réel et permet l'estimation des paramètres de la MEC. Lors du traitement des eaux usées, une surveillance en continue des MEC est essentielle pour assurer des performances adéquates, et à cet égard, le modèle EEC le permet. Le modèle EEC de base implique deux résistances (R0 décrivant les pertes ohmiques et R1 les pertes d'activation) connectées en série avec la force électromotrice interne (FEI). De plus, la croissance du biofilm est représentée par la capacitance (C) connectée en parallèle avec R1. Ses paramètres électriques internes peuvent être estimés numériquement en minimisant la différence entre le courant théorique et mesuré de la MEC. De plus, les mêmes paramètres peuvent être estimés en utilisant une solution analytique du modèle EEC. Dans ce cas, la MEC doit être utilisée pendant une courte période (par exemple 1 à 2 minutes) avec une connexion intermittente de l'alimentation électrique. Une telle connexion est effectuée à des fréquences hautes et basses pour estimer R0 (à haute fréquence) et R1 et C (à basse fréquence). De plus, la FEI est estimée par la MEC dans des conditions de circuit ouvert. Pour démontrer l'approche proposée, des expériences ont été effectuées avec plusieurs concentrations de sources de carbone entrantes. Les paramètres électriques internes de la MEC ont été estimés à des intervalles de 6h. Le modèle EEC a permis de décrire avec succès la dynamique électrique de la MEC et de suivre les changements des paramètres électriques. Grâce à la simplicité du modèle, il peut être utilisé pour développer un système de surveillance et de diagnostic des MEC en temps réel. Un tel système de suivi en continu pourrait être essentiel au bon fonctionnement des systèmes de traitement des eaux usées à grande échelle basés sur les MEC. Les paramètres du modèle EEC fournissent un aperçu des performances des MEC soumises à diverses perturbations en temps réel. Cette thèse présente des résultats pour la surveillance en temps réel de MEC avec différentes concentrations influentes. Avec l'augmentation de la concentration de l'influent, il y a une diminution subséquente de la résistance interne de la MEC et une augmentation de la C interne. La thèse explique également en détail les performances à long terme de MEC sous connexion intermittente de l'alimentation électrique (mode marche/arrêt). Cette étude décrit une nouvelle approche pour atteindre une performance stable à long terme et maximiser l'élimination de la demande chimique en oxygène (DCO) dans une MEC. Dans l'approche proposée, la tension appliquée sur la MEC est périodiquement déconnectée, par exemple à une fréquence de 0,1 à 0,5 Hz et un rapport cyclique de 90 à 95%. Pour évaluer l'impact d'une telle intermittence de tension sur les performances de la MEC, des expériences ont été réalisées avec deux MEC à écoulement continu avec des électrodes de charbon activé granulaire. La stratégie d'exploitation d'une connexion intermittente a été appliquée à une MEC, tandis que l'autre a fonctionné à une tension fixe (MEC de contrôle). Un fonctionnement intermittent à long terme a entraîné une augmentation progressive de l'efficacité d'élimination de la DCO et du courant de la MEC avec le temps, tandis que la MEC de contrôle a montré des performances inférieures. De plus, en changeant la stratégie d'exploitation et en appliquant une connexion intermittente à la MEC de contrôle, ses performances ont été considérablement améliorées. L'amélioration des performances pendant la phase intermittente a été confirmée par la surveillance en continu de la résistance interne et de la C des MEC. Le mode de fonctionnement intermittent proposé peut être utilisé pour développer un système de traitement des eaux usées à haut débit basé sur les MEC. Un modèle bioélectrochimique dynamique d'une MEC, dont les compartiments anodiques et cathodiques sont connectés en série, est également présenté dans cette thèse. Le modèle peut être utilisé pour estimer le courant circulant dans la MEC et la concentration du substrat de l'effluent. Les paramètres du modèle sont obtenus par une procédure d'estimation des paramètres numériques. Les résultats de la simulation correspondent assez bien aux données expérimentales. La thèse comprend également un modèle de biofilm une dimension (1D), qui décrit les changements de distribution de la source de carbone dans le biofilm électrochimiquement actif à l'anode. Le modèle est capable de prédire le courant obtenu dans une MEC ayant une tension intermittente.  ABSTRACT: Microbial electrolysis cell (MEC) represents a novel technology that can be applied for wastewater treatment combined with hydrogen or biogas production. MEC is a bioelectrochemical device, which houses anode and cathode connected to an external power supply. Dynamic modeling and optimization of a MEC-based reactor faces several challenges.  This thesis starts from presenting an equivalent electrical circuit (EEC) model of MEC, which provides a tool for online monitoring and parameter estimation of MEC. When treating wastewaters, continuous MEC monitoring is essential to ensure adequate performance, with this regard, the electrical equivalent circuit (EEC) model enables on-line parameter estimation and monitoring of a continuous flow MEC.  Such simple EEC model involves two resistances (describing ohmic losses, R0, and activation losses, R1) connected in series with internal electromotive force (EMF). Also, biofilm growth is represented by capacitance (C) connected in parallel with R1. These internal electrical parameters can be estimated numerically by minimizing the difference between the measured and predicted MEC current. Also, the same parameters can be estimated using an analytical solution of the EEC model. In this case, the MEC needs to be operated for a short time (e.g. 1-2 min) with intermittent connection to the power supply.  Such intermittent connection is performed at high and low frequencies to estimate R0 (at high frequency) and R1 and C (at low frequency). Also, EMF is estimated by MEC under open circuit conditions. To demonstrate the proposed approach, experiments were carried out at several influent carbon source concentrations. MEC internal electrical parameters were estimated at 6h intervals. The EEC model successfully described electrical dynamics of the MEC and tracked changes in electrical parameters. Owing to the model simplicity, it can be used to develop a real-time MEC monitoring and diagnostics system. Such an on-line tracking system might be essential for successful operation of large scale MEC-based wastewater treatment systems. EEC model parameters provide an insight of MEC performance subjected to various perturbations in real time. This thesis presents results for online monitoring of MEC with different strength of influent concentrations. With the increase in influent concentration there is a subsequent decrease in internal resistance of MEC and increase in internal capacitance.  Furthermore, the thesis also explains in detail long term performance of MEC under intermittent connection/disconnection of power supply. This study describes a new approach for achieving stable long-term performance and maximizing removal of chemical oxygen demand (COD) in a Microbial Electrolysis Cell (MEC). In the proposed approach, the MEC applied voltage is periodically disconnected, e.g. at a frequency of 0.1 – 0.5 Hz and a duty cycle of 90-95%. To evaluate the impact of such periodic voltage disconnection (on/off mode) on MEC performance, experiments were carried out in two flow-through MECs with activated granular carbon electrodes. The on/off operating strategy was applied to one MEC, while the other one was operated at a fixed voltage (control MEC). Long-term on/off operation resulted in progressive increase in COD removal efficiency and MEC current over time, while the control MEC showed inferior performance. Furthermore, by changing the operating strategies and applying the on/off strategy to the control MEC, its performance was significantly improved. Performance improvement during on/off operation was confirmed by on-line monitoring of MFC internal resistance and capacitance. The proposed on/off mode of operation can be used to develop a high-rate MEC-based wastewater treatment system. Dynamic bioelectrochemical model of MEC, which considers anodic and cathodic compartments connected in series, is also presented in this thesis. The model can be used to estimate current flowing through the MEC and effluent substrate concentration. Model parameters are estimated by numerical parameter estimation procedure. The simulation results provide a fairly good fit with the experimental data. Thesis also includes 1D biofilm model, which describes changes in carbon source distribution in the electrochemically active biofilm at anode under on/off operation of power supply.  The model is able to predict current flowing through the MEC with periodic applied voltage.


identifier: Angulo Rodriguez, L. (2018). Development of Phase-Shifting Profilometry for 3D Brain Cavity Reconstruction and in vivo Detection of Intrinsic Fluorescence Through a Neurosurgical Microscope  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les microscopes neurochirurgicaux ont été conçus pour détecter la fluorescence produite par des tissus biologiques ; de plus, la spectroscopie optique peut être utilisée pour guider une opération chirurgicale telle que la résection d'une tumeur du cerveau. Néanmoins, les microscopes actuels n'ont pas de capacité hyperspectrale, ce qui les empêche d'évaluer quantitativement les propriétés optiques des tissus (absorption et diffusion). Ils ne peuvent utiliser ces marqueurs pour réaliser une correction d'atténuation qui permettrait d'obtenir des valeurs quantifiées de fluorescence. Une première étape importante permettant d'évaluer précisément les propriétés d'absorption et de diffusion des tissus biologiques est la détermination de la forme géométrique de l'échantillon. Cette thèse présente un système hyperspectral intégré dans un microscope neurochirurgical commercial. Un tel système est capable de réaliser deux fonctions : (a) extraire le profil 3D du cerveau ; et, (b) détecter la signature spectrale de l'auto-fluorescence des tissus du cerveau. Ce sont des développements initiaux essentiels en vue de la création de nouveaux équipements qui permettront de quantifier la fluorescence intrinsèque des tissus durant une opération chirurgicale. Ceci dans le but de détecter des anomalies sans ambiguïté.  Un système d'imagerie a été développé et consiste en un Projecteur Digitale de Lumière associé avec un microscope neuro chirurgical permettant à la lumière structurée d'être projetée sur une cavité chirurgicale. La détection est réalisée en utilisant un système hyperspectral de haute sensibilité qui est également couplé avec le microscope à travers un port optique libre. La projection de lumière structurée est utilisée pour réaliser une reconstruction 3D. Elle a été évaluée en utilisant une structure de la forme d'une pyramide avec plusieurs marches, ce qui permet de déterminer l'exactitude et la précision du système de la profilométrie. L'exactitude et la précision moyennes pour toutes les reconstructions de hauteurs des marches des pyramides (de 1.5 à 30 mm) étaient respectivement de 0.3 mm et 0.6 mm. Des mesures de profilométrie à différents angles ont également été effectuées en tournant une plate-forme de ±15, 30 et 45. L'erreur de reconstruction moyenne pour tous les angles a été de 1.94 degrés (σ = 1.2 degrés). En outre, un fantôme optique de la forme d'un cerveau avec des propriétés optiques dans des échelles de valeurs physiologiques réalistes a été fabriqué. Son profil a été reconstruit avec une exactitude comparable au test avec des pyramides.  Pour la détection de la fluorescence, le même système de détection a été utilisé mais le Projecteur Digitale de Lumière a été remplacé par une source bleue venant d'un microscope chirurgical. Une technique a été développée pour récupérer la fluorescence intrinsèque des tissus du cerveau et la méthode a été testée in vivo durant des opérations de résection de gliome à l'Institut et hôpital neurologique de Montréal. La méthode comprend une calibration technique pour corriger les données de fluorescence hyperspectrale dans le but d'enlever la réponse spectrale et spatiale de l'instrument d'imagerie. Ensuite, un algorithme a été développé pour corriger l'effet de l'atténuation de la lumière sur les propriétés optiques du tissu en normalisant la fluorescence avec des images de réflectance de lumière blanche dans le but de produire des données d'imagerie spécialement reliées à la fluorescence émise par les molécules du tissu. Les données préliminaires d'un cas clinique ont permis de révéler que les tissus en bonne santé ont une fluorescence avec une intensité plus grande que celle des tumeurs, hypothèse qui se retrouve également dans la littérature.  En conclusion, le système d'imagerie développé comme partie intégrante de cette thèse est capable de fournir une hauteur pixel par pixel dans la cavité chirurgicale (profil 3D) et une carte de l'auto-fluorescence de la surface du cerveau.  ABSTRACT: Neurosurgery microscopes have been developed to detect fluorescence associated with biological tissue; in addition, optical spectroscopy can be used to guide surgical procedures including the resection of brain tumors. However, current microscopes do not have hyperspectral capabilities, which prevents these systems from quantitatively evaluating tissue optical properties (absorption and scattering) and use these values to implement an attenuation correction leading to quantified values of fluorescence. An important first step allowing to accurately assessing the absorption and scattering properties of biological tissue is the determination of the geometric shape of the sample. Here we present a hyperspectral system integrated onto a commercial neurosurgical microscope that is capable of supporting two functionalities: (a) extracting the 3D profile of the brain, and (b) detecting the spectral signature of brain tissue autofluorescence. These functionalities represent critical initial advancements towards the development of new devices that will be able to quantify intrinsic tissue fluorescence during surgical procedures in order to unambiguously detect abnormalities.  An imaging system was developed that consists of a Digital Light Projector coupled to a neurosurgical microscope allowing structured light to be projected on the surgical cavity. Detection is achieved using a high sensitivity hyperspectral system also coupled to the microscope through a free optical port. The projection of structured light is used to perform a 3D reconstruction, which was evaluated using a phantom in the shape of a pyramid with multiple steps allowing determining the accuracy and precision of the profilometry system. The average accuracy and precision for all reconstructions of pyramid step heights (from 1.5 to 30 mm) was 0.3 mm and 0.6 mm, respectively. Profilometry measurements at different angles were also acquired by rotating a platform by ±15, 30 and 45. The mean reconstruction error for all angles was 1.94 (STD = 1.2). Additionally, a brain-shaped phantom with optical properties within the range of realistic physiological values was fabricated and its profile was reconstructed with accuracies comparable with the pyramid step phantom.  For fluorescence detection, the same detection system was used but the Digital Light Projector was replaced with the wide-field blue source from a fluorescence neurosurgical microscope. A technique was developed to recover intrinsic brain tissue fluorescence and the method was tested in vivo during glioma resection procedures at the Montreal Neurological Institute and Hospital. The method includes a calibration technique to correct hyperspectral fluorescence data in order to remove the spectral and spatial response of the imaging instrument. Then, an algorithm was developed to correct for the light attenuation effect of tissue optical properties by normalizing the fluorescence with white light reflectance images with the objective to produce imaging data specifically related to fluorescence emitted by tissue molecules. Preliminary data from a clinical case suggested that healthy tissue has higher fluorescence intensity than tumor, which is in line with the literature.  In conclusion, the imaging system developed as part of this thesis is able to provide pixel-by-pixel heights within the surgical cavity (3D profile) and autofluorescence maps of the brain surface.


identifier: Larouche Guilbert, M. (2018). Quantification des efforts intervertébraux et articulaires en temps-réel au cours de la marche des enfants atteints de scoliose idiopathique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La marche est une activité quotidienne et est le moyen de déplacement le plus simple pour l'être humain. Une pathologie musculosquelettique telle que la scoliose idiopathique (SI) peut avoir des répercussions importantes sur la qualité de vie des personnes affectées. Plusieurs études ont montré que le patron de marche chez les patients scoliotiques peut différer d'un patron de marche normal.  Plus spécifiquement, l'asymétrie au niveau du rachis peut causer une réduction de l'amplitude de mouvement du bassin et des membres inférieurs et une dépense énergétique plus élevée. La correction du patron de marche chez ces patients est donc cruciale et peut avoir des répercussions positives sur leur qualité de vie. L'objectif de ce projet est de développer un outil qui calcule les efforts internes au niveau des articulations des membres inférieurs et tout au long de la colonne vertébrale en temps-réel. Cet outil permettra de faciliter les traitements de réadaptation de la marche des patients scoliotiques en quantifiant l'asymétrie au niveau du tronc grâce aux efforts articulaires. Pour ce faire, le corps humain a été modélisé comme un système dynamique multicorps tridimensionnel. Des capteurs de position ont été placés sur chaque vertèbre et sur des marqueurs anatomiques des membres inférieurs. Les efforts intervertébraux et articulaires ont été obtenus grâce à des processus de cinématique inverse et de dynamique inverse à l'aide du logiciel de modélisation dynamique Robotran.  L'outil développé a été testé par le biais d'une analyse de cas comparant les données d'un sujet scoliotique et d'un sujet sain. Les résultats présentés dans ce mémoire montrent que les efforts intervertébraux médio-latéraux et antéro-postérieurs peuvent être des indicateurs d'asymétrie de la colonne vertébrale puisqu'ils sont plus élevés chez le sujet scoliotique. Le couple et la force médio-latéraux moyens de la colonne vertébrale sont respectivement 200% et 114% plus élevés chez le sujet scoliotique. Les mêmes efforts antéro-postérieurs sont 100% et 50% plus élevés. De plus, les résultats montrent que les efforts sont distribués de manière uniforme tout au long de la colonne vertébrale et que l'on n'observe pas des efforts plus élevés autour de l'apex ou au niveau d'un autre point critique de la colonne vertébrale.  ABSTRACT: Walking is a daily activity and the natural way to move for a human. Musculoskeletal pathologies, such as the idiopathic scoliosis (IS), can have a significant impact on the life quality of affected people. Several studies have shown that gait in IS patients may differ from a normal walking pattern. More specifically, asymmetry in the spine can cause reduction in the range of motion of the pelvis and the lower limbs and increase the energy expenditure. The correction of the walking pattern in these patients is crucial and may have positive repercussions on their life quality. The objective of this project is to develop a tool that assesses joint internal efforts of the lower limbs and all along the spine in real time. This tool will facilitate rehabilitation treatments for scoliotic patients by quantifying asymmetry in the trunk through joint efforts. To do so, the human body is modeled as a 3D dynamic multibody system. It is personalised to each patient from the position of the sensors placed on each vertebra and anatomical markers on the lower limbs. The intervertebral and articular efforts are obtained from a solver of symbolic equations and an inverse cinematic method generated by Robotran software. The developed tool was tested by a proof of the concept example which compared the data of a healthy subject with those of a scoliotic subject. The results presented in this thesis show that media laterals and antero-posterior's intervertebral efforts may be indicators of asymmetry since they are higher for the scoliosis subject. The media-lateral torque and force are respectively 200% and 114% higher for the scoliotic subject. The same antero-posterior efforts are 100% and 50% higher. In addition, the results show that the efforts were uniformly distributed throughout the spine. The efforts around the apex or another critical point were not higher than the others. The developed tool developed enables the quantification of articular and intervertebral efforts of scoliotic subject which allows the identification of the most pertinent asymmetry indicators and therefore supporting the to development of adequate corrective movements. These movements have the potential to facilitate rehabilitation of the walking pattern of scoliotic subjects.


identifier: Nedelec, A. (2018). Étude de l'impact de l'incertitude des processus de reconstruction 3D et de recalage sur l'analyse de la cinématique du genou  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Analyser la cinématique du genou d'un patient permet aux médecins d'évaluer sa mobilité. Pour effectuer cette analyse, il est nécessaire d'acquérir les données cinématiques du patient pendant le mouvement et de les traiter. L'évaluation à travers le temps est effectuée en comparant les caractéristiques du mouvement issues du traitement des données entre chaque acquisition. Cependant, les variations de ces caractéristiques peuvent être dues à un changement réel du mouvement effectué pendant l'acquisition ou à des erreurs de mesure ou des erreurs de modélisation. Ainsi, distinguer les sources de ces variations permettrait aux cliniciens de minimiser le risque de mauvaise interprétation. Ce projet de maîtrise s'intéresse aux erreurs de traitement des données issues du processus d'acquisition des données lui-même. S'intéressant aux processus visualisant en temps réel le mouvement anatomique du genou, ce projet porte sur l'acquisition de données cinématiques mais aussi des données morphologiques. Ainsi, des étapes de reconstruction 3D des os et de recalage seront des étapes déterminantes du processus. Ce projet étudie l'impact des incertitudes des étapes de reconstruction 3D et de recalage du processus d'acquisition sur l'imprécision du traitement de ces données acquises. Aussi, ce projet propose une intégration des imprécisions du traitement des données dans leur visualisation en temps-réel. Pour cela, un simulateur du mouvement de l'articulation du genou développé par l'entreprise partenaire, a permis d'obtenir des données cinématiques de ce mouvement. Ces données ont été traitées par une décomposition du mouvement selon ses six degrés de liberté. L'incertitude du processus d'acquisition des données cinématiques est simulée par la méthode de Monte Carlo. Vingt-quatre paramètres déterminant l'incertitude des étapes de reconstruction 3D et de recalage du processus ont été étudiés. Le lien entre l'incertitude du processus d'acquisition et la quantification de la marche est établi grâce à une équation mathématique obtenue par validation croisée et régression pas à pas avant. Une interface utilisateur a été implémentée pour illustrer un exemple de visualisation des résultats de caractérisation prenant en compte ces imprécisions. Les résultats de la méthode de Monte Carlo et de la modélisation indiquent que les erreurs d'analyse de la cinématique par la décomposition en six degrés de liberté du mouvement sont fortement corrélées aux valeurs des incertitudes de l'étape de recalage (le coefficient de corrélation maximum est de 0.85). Les incertitudes de la reconstruction sont moins corrélées que celles du recalage aux valeurs des erreurs. Ainsi, cette étude permet de mettre en évidence l'importance de la résolution de l'étape de recalage. Également, elle appuie les bonnes pratiques déjà entamées en reconstruction 3D par l'ensemble de la communauté scientifique. En effet, la minimisation de l'influence des incertitudes de la reconstruction est due à l'utilisation de points issus de formes géométriques recalées sur des régions des reconstructions 3D, par opposition à des points acquis individuellement. Il serait donc pertinent d'accentuer les études de réduction de l'incertitude de l'étape de recalage.  ABSTRACT: Knee kinematic analysis is used to evaluate the mobility of patients. This evaluation is performed by comparing movement characteristics between each movement acquisition. However, variations of those characteristics may be due to a change in motion during acquisition, to measurement errors or to modeling errors. Thus, distinguishing the sources of these variations would allow clinicians to minimize the risk of misinterpretation. This master project aims to address the data errors from the data acquisition process itself. Focusing on real-time knee anatomical movement visualization processes, this project is centered on the kinematic and morphological data acquisition. Thus, 3D bone reconstruction and registration steps will be critical steps in the acquisitions. This project studies 3D reconstruction and registration step precision impact on data acquired inaccuracy. Also, this project suggests a data inaccuracies integration in their real-time visualization. A knee joint movement simulator developed by the collaborative company has allows to obtain kinematic data of the knee movement. These data were processed by a movement decomposition into six degrees of freedom. Kinematic data acquisition inaccuracy is simulated by a Monte Carlo method. Twenty-four parameters determining 3D reconstruction and registration steps inaccuracy were studied. A link between acquisition process inaccuracy and knee kinematic quantification is established by mathematical equation from cross-validation and step-by-step regression. A user interface has been implemented to illustrate characterization results with their inaccuracies. Monte Carlo method and modeling indicate that knee kinematic analysis errors by the decomposition in six degrees of freedom of movement are strongly correlated with registration step inaccuracy values (correlation coefficients maximum is 0.85). The 3D reconstruction step inaccuracies are less correlated to error values. This study highlights the importance of registration step resolution. In addition, it validates current practices in 3D reconstruction used by the whole scientific community. Indeed, 3D reconstruction impact on knee kinematic analysis is minimized by the use of points resulting from geometrical shapes registred on 3D reconstruction parts, opposed to points acquired individually. Therefore, it would be relevant to carry out further studies on inaccuracy reduction of the registration step.


identifier: Camiat, F. (2018). Optimisation d'horaires axée sur la productivité des médecins aux urgences  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'encombrement des urgences au Québec est un sujet redondant dans les actualités provinciales. En effet, la province a la réputation mondiale d'avoir le pire temps d'attente aux urgences. Ce long temps d'attente a la mauvaise conséquence de dégrader le système de santé québécois : insatisfaction des patients et des médecins, souffrance prolongée pour les patients ou encore augmentation du taux de patients qui quittent les urgences sans avoir vu un médecin. Réduire cette congestion est, donc, un enjeu majeur pour améliorer l'accès aux soins. Une des manières de faire face à cette problématique est d'améliorer la planification des médecins urgentistes. En effet, actuellement, leur productivité, c'est-à-dire le nombre de patients pris en charge par heure, n'est pas prise en compte dans la conception des horaires. Cette productivité ne peut donc pas répondre aux variations de la demande au cours d'une journée. Ce mémoire présente, sous la forme d'un article, un modèle mathématique qui a le but de créer les horaires des médecins aux urgences. Nous avons collaboré avec l'Hôpital du Sacré-Cœur de Montréal (HSCM) qui nous a fourni les données de son logiciel utilisé aux urgences de 2008 à 2017. Ainsi, le modèle mathématique créé minimise la différence entre la somme de la productivité des médecins (c'est-à-dire la somme du nombre de patients que les médecins peuvent prendre en charge en une heure) et la demande patients (comptée comme le nombre de patients arrivants par heure). Pour ce faire, différents paramètres sont introduits. La demande est estimée avec un modèle de prédiction basé sur un modèle additif prenant en compte les variations saisonnières. La productivité des médecins est estimée à partir des données historiques, en calculant la moyenne de patients traités par heure pour chaque médecin. L'originalité de cet indice de productivité réside dans le fait que les variations dans la productivité individuelle d'un médecin sont prises en compte. Nous avons observé que la productivité variait selon la partie de la journée (Jour, Soir ou Nuit) mais aussi selon le jour de la semaine (Jour de semaine ou Jour de fin de semaine). Ces deux paramètres sont inclus dans un programme mathématique mixte en nombres entiers (MIP). D'une part, ce modèle mathématique a pour but d'améliorer la satisfaction de la demande patients en alignant la productivité sur cette demande. D'autre part, ce modèle a pour but de créer les horaires des médecins de façon réaliste en prenant en compte d'un grand nombre de contraintes génériques applicables à tous les services d'urgences. Ce modèle assure que les préférences des médecins et que l'équité sont respectées. Nous avons réalisé des tests dans le contexte des urgences de HSCM. Nous avons respecté leur horizon de planification, et créé les horaires sur treize semaines. Ces tests ont montré une amélioration possible de 10.85% de la satisfaction de la demande des patients aux urgences. L'équité entre les médecins est respectée dans le même ordre de grandeur mais le respect des préférences a subi une légère dégradation obligatoire de 7.61%, mais qui reste assez faible pour ne pas remettre en cause les horaires ainsi créés. Ce modèle est généralisable à tous les services d'urgences après adaptation des contraintes mineures qui diffèrent d'un service des urgences à un autre. Finalement, adaptés et appliqués dans les urgences, ce modèle et les horaires des médecins qui en découlent permettent de mieux satisfaire la demande des patients, et donc ainsi de réduire en partie l'encombrement des urgences.  ABSTRACT: Emergency departments (EDs) overcrowding is a redundant topic in provincial news in Quebec. In fact, the province has a worldwide reputation for having the worst waiting time in EDs. This long waiting time has the bad consequence of degrading the Quebec health system: dissatisfaction of patients and physicians, suffering extended for patients or even an increase of patients who leave without seen a physician. Therefore, reducing this overcrowding is a major challenge for improving access to care. One of the ways to deal with this issue is to improve the schedule of EDs physcians. currently, their productivity (i.e the number of patients taken over per hour) is not taken into account in the planification. Therefore, this productivity can not respond to variations in demand during a day. This thesis presents, into an article, a mathematical model that aims to create EDs physcians schedules. We collaborated with the ED of Sacré-Coeur Montreal Hospital (HSCM) who provided us the data of their software used in ED from 2008 to 2017. Thus, the mathematical model minimizes the difference between the sum of physician productivity and patient demand (counted as the number of patients arriving per hour). To do this, different parameters are introduced. The demand is predicted with a complete but automated prediction model which, without any particular configuration, takes into account the seasonality of demand or its general trend. The results of this prediction are validated by comparing it with the results of the average demand. Indeed, the prediction model is more efficient. Physician productivity is calculated using historical data, calculating the average patient per hour for each physician. However,the originality of this productivity index lies in the fact that variations in the individual productivity of a physician are taken into account. We observed that productivity varied according to the part of the day (Day, Evening or Night) but also according to the day of the week (Weekday or Weekend Day). These two parameters are introduced into a mixed-integer programming (MIP). On the one hand, this mathematical model aims to improve the satisfaction of patient demand by aligning productivity with this demand. On the other hand, this model aims to create realistic physician schedules by taking into account a large number of generic constraints applicable to all Eds. This model ensures that physicians' preferences and fairness are respected. We performed tests in the context of HSCM ED. We respected their planning horizon, and created a schedule over thirteen weeks. These tests showed a possible improvement of 10.85% for the satisfaction of patients' demand. The fairness between physicians is respected as the same and the respect of the preferences have suffered a slight obligatory degradation of 7.61%, but which remains low enough not to question the Schedule created. This model is generalizable to all EDs after adaptation of the minor constraints that differ from one ED to another. Finally, adapted and applied in the ED, this model and ED physicians schedules which result from it improve patient demand. Thus EDs overcrowding is reduced.