identifier: Guay, J. (2017). Extension of the Overset Grid Preprocessor for Surface Conforming Meshes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un des défis à relever pour les aérodynamiciens numériciens est de développer des méthodes représentant le plus fidèlement possible la dynamique des fluides. L'augmentation des ressources de calcul disponibles permet maintenant à la dynamique des fluides numérique de représenter et résoudre adéquatement ces problèmes. Les travaux présentés dans ce mémoire se concentrent sur le développement d'une méthode pour résoudre les équations de Navier-Stokes sur des géométries complexes. Le logiciel utilisé pour faire ces simulations est celui développé à Polytechnique Montréal, NSCODE. Deux objectifs sont définis pour le projet: développer une méthode permettant la résolution de géométries complexes utilisant des maillages partageant une surface et démontrer la robustesse de la méthode en lien à des applications de type industriel. Dans le but d'augmenter les capacités de la méthode, une revue de littérature du développement de la méthode dans différents groupes de recherche, tels la NASA ou l'ONÉRA, a été faite. La méthode chimère, aussi connue sous son appellation anglaise «Overset», est choisie pour sa grande flexibilité à supporter des géométries complexes. Elle permet de mailler les différentes composantes d'une géométrie de façon indépendante entre celles-ci. Cela permet donc de simplifier la génération des maillages, étape complexe dans le processus de la dynamique des fluides numérique. La méthode chimère fait l'assemblage entre les différents maillages, utilisant des fonctions d'interpolation pour créer la communication entre eux. Une première version de la méthode avait précédemment été implémentée au sein du solveur NSCODE, mais n'avait été validée que sur des géométries dont les différentes composantes étaient entièrement entourées de fluide. Pour des géométries complexes, il n'est toutefois pas possible de procéder ainsi, et les maillages doivent pouvoir se superposer sur la surface de la géométrie. Trois axes de développement permettant d'élargir les capacités de la méthode actuelle sont identifiés. Premièrement, la méthode telle qu'implémentée présentait un algorithme de découpe de géométries (traduction libre du terme anglais «hole cutting») sommaire, échouant sur des géométries concaves. Un algorithme utilisant une triangulation Delaunay contrainte pour modéliser la géométrie est venu renforcir cette étape de la méthode chimère. Deuxièmement, pour supporter des maillages qui se superposent sur la même géométrie, l'interpolation dans les régions visqueuses a été étudiée. Principalement, les particularités liées au solveur, soit une discrétisation centrée aux cellules et un schéma de dissipation artificielle requérant 2 voisins, sont venues influencer les choix pour la méthode.  ABSTRACT: Aerodynamics engineers aspire to develop methods that represent with as much fidelity as possible fluid dynamics. With the fast growth of computational resources, Computational Fluid Dynamics (CFD) tools can now rely on high fidelity methods to solve these problems. This thesis focuses on the development of a method to solve the Navier-Stokes equations over complex geometries. The flow solver developed at Polytechnique Montreal, NSCODE, is the software used to perform the simulations. Two objectives are defined: develop a method to simulate complex geometries using surface conforming meshes and demonstrate its robustness with respect to industrial type applications. A literature review is conducted to evaluate the maturation of the overset method inside different research groups, notably the NASA and the ONERA. Also known as the Chimera method, it is selected based on its capacity to handle such difficult geometries. It allows to mesh different components individually, which ensures maximum grid quality. The mesh generation process is then simplified, which is regarded as a tedious and time consuming aspect of CFD. The overset method proceeds to perform the assembly of the different components together. Communication between these meshes is assured by using interpolation functions. An initial version of the overset method had previously been implemented inside NSCODE. Its validation was partially done, as it was only used for fully separated geometries. For complex geometries, this condition can not always be met, and the method must be able to treat meshes that overlap on the surface. Three development axis are identified to increase the capabilities of the current implementation. First, the hole cutting algorithm in place, while being a fast method, lacks of versatility towards more complex cases. Concave geometries lead to non valid grid assembly. An algorithm is developed to replace it, which uses a constrained Delaunay triangulation to represent accurately the internal geometry. Second, in order to support meshes with overlapping surfaces, a study of the interpolation in the viscous region is performed. Focus is given to the particularities of the flow solver, mainly the cell centred scheme as well as an artificial dissipation scheme, to influence the chosen methods. Two aspects are analyzed: the mesh generation for these meshes and the proper treatment of the boundary condition. A limitation is proposed to the mesh generation, to help ensure adequate grid assemblies and valid interpolation donors. Third, the manner to compute the aerodynamic forces and moments is addressed. A weighted panel method is introduced to avoid the double integration in overlapping regions.


identifier: Waldschmidt, J.-B. (2017). Étude de l'influence de cycles gel-dégel sur le comportement d'un sable traité par biocalcification  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: RÉSUMÉ Ce mémoire présente le développement d'un procédé de précipitation de carbonates de calcium par voie microbienne (usuellement appelé biocalcification ou MICP, en anglais, pour Microbially Induced Calcite Precipitation) via un mode de percolation. Cette technique repose sur le principe suivant : dans un milieu urée, l'activité enzymatique des bactéries S. pasteurii entraine une modification locale du pH et la précipitation de calcium sous forme de carbonates. La biocalcification permet ainsi d'augmenter la rigidité d'un sol et d'en améliorer la résistance, sans pour autant le rendre imperméable. Conservant son caractère drainant, ce sol sera ainsi moins soumis aux impacts d'une infiltration d'eau. ABSTRACT  ABSTRACT: This study presents a new protocol of calcium carbonate precipitation through a percolation mode, known as Microbially Induced Calcite Precipitation (MICP). The process relies on the S. pasteurii's enzyme activity which induces a local modification of the pH and the precipitation of calcium as carbonates in a urea medium. This method allows an improvement of the rigidity and the strength of the soil without any significant modification of its permeability. As the soil keeps its draining behavior, it is less subject to problems related to the infiltration of water.


identifier: Plante, F. (2017). Simulation de phénomènes instationnaires périodiques avec une méthode RANS dans le domaine fréquentiel  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le but d'augmenter l'utilisation des simulations instationnaires dans l'industrie aéronautique, ce mémoire présente le développement d'une méthode dans le domaine fréquentiel pour la résolution de phénomènes périodiques en temps. Cette approche utilise des séries de Fourier pour transformer les équations RANS instationnaires (URANS) en une série de problèmes stationnaires dans le domaine fréquentiel. Cette méthode est bien adaptée pour les cas ayant une fréquence imposée. Pour les phénomènes où la fréquence est une solution du problème, comme le lâcher tourbillonnaire d'un cylindre, deux méthodes décrites dans la littérature sont implémentées et étudiées. La méthode fréquentielle est appliquée à deux modèles de turbulence, soit le modèle Spalart-Allmaras et le modèle Menter k-! SST. Les cas d'applications montrent l'importance de prendre en compte le phénomène de Gibbs dans le sillage. Un problème de stabilité lors de la résolution du modèle de turbulence est aussi observé et une solution est proposée. Ces méthodes sont implémentées dans le logiciel de dynamique des fluides numérique, NSCODE, développé à Polytechnique Montréal. Il s'agit d'un solveur volume fini centré aux cellules avec une résolution ségrégée des modèles de turbulence. Les méthodes implémentées sont vérifiées et validées par une comparaison avec des solutions de la méthode Dual Time Stepping, une méthode de calcul classique pour les écoulements instationnaires, et des résultats de la littérature. Parmi les cas tests utilisés, des solutions d'écoulements autour de profils oscillants en régime non visqueux et turbulent sont présentées. Ces cas tests vont jusqu'à la simulation du décrochage dynamique avec le modèle URANS. Afin de démontrer la capacité du solveur pour simuler des géométries ayant un mouvement relatif, le cas d'un aileron oscillant est simulé avec la technique de maillage chimère. Pour finir, le tremblement transsonique sur un profil OAT15A est simulé. L'effet de la résolution en temps et en maillage est étudié avec la méthode Dual Time Stepping. Les solutions obtenues concordent avec l'expérience et des résultats numériques de la littérature. Ce cas est ensuite simulé avec la méthode fréquentielle, montrant la capacité du solveur pour la simulation de phénomènes turbulents de fréquence non imposée.  ABSTRACT: In an effort to increase modeling capabilities within the industrial aerospace community to time-periodic phenomena, this thesis presents the development of frequency domain approaches towards the simulation of unsteady turbulent periodic flows. The time-domain Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) equations are transformed, via Fourier series, into a steady state frequency domain formulation at fixed frequency. This allows the computation of forced oscillations problems. For problems where the time period is solution of the problem, such as the unsteady wake behind a cylinder, two algorithms proposed in the literature are examined. Also, the implementation of the frequency domain method to 2 widely used turbulence models, namely the Spalart-Allmaras and Menter k-w SST models, is discussed. The study highlights the importance of adequately addressing the Gibb's phenomena in wake regions. A stability issue for the resolution of the turbulence model is also reported and a solution is proposed. The developments are made into the CFD software developed at Polytechique Montreal, NSCODE. The latter is a cell-centered finite volume solver with a segregated resolution of the turbulence model. Verification and validation are made by comparison with the classical dual time stepping scheme and results from the literature. Of the test cases used, oscillating profiles in inviscid and turbulent regime in condition up to dynamic stall are presented. The simulation of a flapping aileron using the chimera grid technique is used to show the capability of the method to handle relative motion between objects. Finally, the case of the transonic buffet over the OAT15A airfoil is studied. A time resolution and grid convergence study is carried showing results in agreement to numerical and experimental results from the literature. This case is also computed using the frequency domain scheme demonstrating the capacity of the proposed method to simulate time periodic turbulent flows of self-defined frequency.


identifier: Brunet, J.-N. (2017). Analyse des méthodes par éléments finis et méthodes sans maillage pour la déformation de corps mous en simulation chirurgicale  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de recherche s'intéresse au problème de la simulation chirurgicale qui constitue un des grands défis du domaine de l'animation en temps réel de corps virtuellement déformables. Le processus de simulation doit représenter le comportement d'un organe déformable qui réagit aux manipulations de l'utilisateur et de son outil haptique, et ce en temps réel. La modélisation repose sur la résolution d'un système d'équations aux dérivées partielles complexe pour lequel la méthode des éléments finis est généralement favorisée. Cependant, cette méthode nécessite une discrétisation du modèle déformable en une suite d'éléments géométriques connectés entre eux, un processus fastidieux et mal adapté pour des simulations qui nécessitent des découpes ou autres manipulations entrainant un changement de la topologie initiale de l'objet simulé. Ce travail cherche à confirmer l'hypothèse que des méthodes de discrétisation basées sur des particules, et donc sans maillage d'éléments, sont suffisamment rapides, précises et stables pour pallier le problème de l'approche traditionnelle des éléments finis. Pour y arriver, deux méthodes de discrétisation sans maillage sont construites. Les deux utilisent une formulation faible des équations d'équilibre de la théorie de l'élasticité linéaire en mécanique des milieux continus. Le premier modèle, la méthode basée sur les points (MBP), utilise une approximation du déplacement d'une particule basée sur un voisinage compact bâti autour de celle-ci à l'aide d'une fonction noyau. Pour intégrer l'équation d'équilibre sur le domaine non déformé, le modèle utilise le volume d'une particule décrit comme le rapport entre sa masse et la densité de son voisinage. Deux fonctions d'approximation du déplacement sont formulées : la fonction de forme “Smooth Particle Hydrodynamics” (SPH) et la fonction de forme “Moving least square” (MLS). Le deuxième modèle est basé sur la méthode Meshless Total Lagrangian Dymamics (MTLED) qui utilise également une approximation du déplacement d'une particule basée sur un voisinage compact, mais cette fois en utilisant un maillage d'éléments pour l'intégration de l'équation d'équilibre sur le domaine non déformé. Un algorithme intégrant ces deux modèles est proposé. Pour valider l'approche sans maillage, un modèle de référence basé sur la méthode des éléments finis avec des éléments tétraédriques et hexaédriques linéaires est décrit et également implémenté. La performance des méthodes sans maillage et de la méthode des éléments finis est finalement comparée. La comparaison est effectuée sur différents scénarios d'étirement et de fléchissement. Une analyse de la résolution statique du système d'équilibre et de la matrice de rigidité est également abordée. Les techniques d'intégration dans le temps et de gestion des forces de contact sont aussi testées. Les résultats obtenus amènent à l'invalidation de l'hypothèse de départ. Pour arriver à atteindre du temps réel, seules les méthodes d'intégration explicites dans le temps peuvent être utilisées sur des objets de taille considérable, c'est-à-dire comportant quelques milliers de particules. D'ailleurs, même avec une méthode d'intégration explicite dans le temps, un nombre très restreint de voisins est nécessaire, entrainant ainsi une mauvaise propagation des forces. De plus, si le nombre de particules du volume est diminué en augmentant la taille du voisinage pour ainsi accélérer le temps de calcul, la faible consistance des fonctions d'approximation apporte de graves conséquences sur la précision et la stabilité de l'animation. Pour ces raisons, l'utilisation des deux approches sans maillage étudiées lors d'une modélisation complète du comportement d'un organe dans une simulation en temps réel n'apporte aucun gain par rapport à la méthode des éléments finis.  ABSTRACT: Virtual reality applications and computer simulations are currently undergoing exponential growth. This project focus on the field of surgery simulation which relies on computer animations concepts and complex physical models in order to realistically animate the behaviour of deformable soft tissues and organs under the manipulations of a haptic device driven by the user. The modelization involves a system of partial differential equations for which the finite element methods (FEM) are well adapted and have been used over the past three decades. Yet, those methods rely on a huge discretization process that breaks the simulated object into a group of geometrical elements connected together within a topology. Avoiding the discretization process would result in a major breakthrough for real time surgical simulation.  This research suggests that particle-based discretization methods, also referred to as meshless methods, currently used in other simulation applications are adequately fast, precise and stable to meet the surgery simulation constraints. To sustain this hypothesis, the study and implementation of two meshless discretization models built around the weak form of elasticity equilibrium of the theory of continuum mechanics are performed. The first model, the point-based animation method (MBP), uses an approximation function of a displacement based on a compact neighborhood of particles built from a kernel function. To integrate the weak form of the equilibrium equations formulated within a lagrangian description, the model uses the volume of a particle as the ratio between its mass and the density of its neighborhood. Two approximation functions of the displacement are studied: the Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) and the Moving Least Squares (MLS). The second meshless model is based on the Meshless Total Lagrangian Explicit Dynamics (MTLED) method and also uses an MLS approximation function, but takes advantage of a background integration grid to integrate the weak form of the equilibrium equations. To validate the meshless approaches, the implementation of a reference solution based on a finite element method using linear tetrahedral and hexahedral elements is carried out. The finite element and the two meshless models are tested on different stretching and bending behaviours. An analysis of the static case of equilibrium system and thereby the stiffness matrix is performed. Likewise, time integration schemes and contact penalty forces are tested. The results of the trials invalidate the research's hypothesis. In real time simulations, only the explicit time integration scheme was able to produce fast enough results on simulations involving large objects, that is, with more than a few thousands particles. Those particles were restrained to a low number of neighbours, causing a weak propagation of forces through the objects. Furthermore, because of the low consistency order of the approximations, decreasing the number of particles by extending the neighborhood in order to reduce computation delays will result in severe instabilities inducing in most cases the end of the simulation process. For these reasons, the conclusion is that the two particle based methods presented in this research bring no valuable gains over the finite elements method in the field of real-time simulation of soft tissues deformation required by surgical simulators.


identifier: Gervais, B. (2017). Étude des mécanismes de sollicitations et de rupture des plaques de compression à verrouillage lors de la marche  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La plaque de compression à verrouillage (PCV) est un dispositif médical utilisé pour stabiliser une fracture osseuse pendant le processus de guérison. Lorsque la PCV est installée sur le membre inférieur, cet implant orthopédique est sollicité davantage en raison des charges provenant du poids du patient durant la marche. Une installation adéquate de l'implant est donc recherchée pour créer un environnement propice à la guérison de l'os, tout en limitant les surcharges de l'implant. Dans cette optique, le patient retrouve plus rapidement sa mobilité et évite une longue période de convalescence associée à une mauvaise guérison de l'os ou à un bris de l'implant.  Selon la revue la littérature, l'utilisation de la PCV est caractérisée par un taux de complication se situant entre 9 et 20%. Une des complications graves est le bris de l'implant, qui induit souvent une seconde fracture du fémur. Ces bris ont majoritairement été associés à un mécanisme de rupture par fatigue, remettant principalement l'installation de l'implant en cause. C'est pourquoi des études proposent des directives à respecter pour l'installation de la PCV, mais rarement le comportement mécanique de l'implant et celui de la fracture sont intégrés dans la même analyse. De plus, des modèles numériques ont été utilisés à quelques reprises pour quantifier les contraintes dans un implant du membre inférieur. Cependant, la majorité des modèles sont simplifiés à des cas de chargement statique, où seulement le poids du patient est considéré. Les résultats ne sont donc pas adaptés à la résolution des problèmes de bris en fatigue. L'objectif de ce travail est d'évaluer si une modélisation dynamique du cycle complet de marche d'un patient permet de prédire avec plus de réalisme le comportement mécanique de l'assemblage os-PCV.  La première étape du projet a été d'étudier le bris réel d'une PCV afin d'identifier le mécanisme de rupture d'un cas type. À l'aide d'analyses chimiques, d'essais de dureté, et d'analyses de la microstructure, il a d'abord été confirmé que le matériau était l'acier inoxydable 316L formé à froid. Les observations visuelles du faciès de rupture de l'implant ont ensuite révélé un mécanisme de rupture par fatigue. De plus, des stries de fatigue ont été observées sur 85% du faciès de rupture, ce qui caractérise un chargement cyclique à faible amplitude. Le nombre de cycles menant au bris a été approximé à 106 selon le nombre de pas du patient pendant 2 ans. En fonction de ce nombre de cycles et des propriétés mécaniques de l'acier inoxydable 316L, la contrainte d'amorçage et de propagation a été estimée à 400 MPa (amplitude de contrainte de 200 MPa à R = 0). En parallèle avec l'analyse fractographique, un modèle par éléments finis de l'assemblage os-implant a permis d'observer que la fissure s'est amorcée dans une zone de contraintes élevées. D'un point de vue ingénierie, les nombreux trous de la PCV, qui permettent une versatilité d'installation, agissent tous comme des concentrateurs de contraintes qui diminuent la résistance en fatigue de l'assemblage. La géométrie ainsi que l'installation doivent être améliorées afin de réduire le risque de bris en fatigue.  La seconde étape du projet a été de développer un modèle dynamique pour quantifier les contraintes dans l'implant durant un cycle complet de marche. Un modèle dynamique multicorps flexible de l'assemblage fémur-PCV a été conçu à partir de l'analyse de marche du patient et de la géométrie de l'implant étudié dans la première partie du projet. L'objectif était de reproduire le plus fidèlement possible les conditions de chargement ayant mené au bris. En supplément à ce modèle dynamique, la modélisation statique, décrite dans la littérature, a aussi été appliquée pour produire des résultats comparatifs. Ces résultats ont démontré que la méthode statique sous-estimait la contrainte dans l'implant (76 MPa), alors que la contrainte obtenue avec la méthode dynamique (346 MPa) s'approchait davantage des conclusions de l'analyse de défaillance. La méthode dynamique reproduit plus fidèlement le chargement puisque les couples articulaires et les effets dynamiques sont intégrés dans la modélisation. Cette méthode présente aussi un avantage considérable puisque la contrainte critique associée à la marche est définie sur un cycle complet de chargement. La contrainte maximale a été relevée à 48% du cycle de marche, soit à la fin de la phase d'appui. Cette évolution de la contrainte permettra de calculer plus précisément le nombre de cycles avant la rupture dans une analyse de bris par fatigue.  De plus, une étude complémentaire a été effectuée pour observer la sensibilité du modèle dynamique (déformation osseuse de la fracture et contrainte maximale dans l'implant) à une variable critique de l'installation, soit la sélection de la longueur de la plaque par le chirurgien. Cette sensibilité a été étudiée selon quatre longueurs de PCVs, soit 170, 206, 242 et 278 mm. Les résultats ont démontré qu'en passant de la plus courte PCV à la plus longue PCV étudiée, la contrainte maximale dans l'implant augmentait de 20%, alors que la déformation de la fracture diminuait de 24%. Une PCV plus longue reprend donc mieux la charge du patient pendant la guérison, mais engendre un plus haut risque de bris en fatigue. Le développement du modèle dynamique permet d'obtenir des valeurs quantifiables qui indiquent si la méthode d'installation procure un environnement propice à la guérison, tout en tenant compte de la contrainte dans l'implant.  La principale conclusion de ce projet est que la modélisation dynamique multicorps flexible permet de retrouver le niveau de contrainte qui correspond avec les observations d'un bris en fatigue d'un implant du membre inférieur. De plus, en intégrant l'étude de la déformation osseuse de la fracture, cette modélisation permet d'évaluer le degré de stabilité associé à la méthode d'installation de la PCV. À long terme, le développement de la modélisation dynamique de l'assemblage fémur-PCV permettra de proposer des directives plus précises sur cette méthode d'installation et de réduire les bris par fatigue des PCVs.  ABSTRACT: The locking compression plate (LCP) is a medical device used to stabilize fractured bone parts during the healing process. Especially for a lower limb fracture, this orthopedic implant has to support the loads from the body weight during gait. In this conditions, an appropriate installation method is required to obtain a successful healing of the bone, while limiting the mechanical overloads on the implant. With that in mind, the patient avoids a long convalescence period associated with an implant failure or an unsuccessful healing process.  According to the literature, the complication rate related to LCPs is between 9% and 20%. One of the most severe complication is the failure of the implant, which normally induces a second fracture of the bone. In the majority of the studies, the LCP failure is mainly due to fatigue damage and the installation method is identified as the main root cause of failure. In order to address this challenge, some studies are proposing installation guidelines for LCPs, but the implant and bone mechanical behavior are rarely integrated in the same analysis. In some cases, numerical modeling is employed to compute the stress distribution of a lower limb implant. However, most of these numerical models are simplified to a static loading case, which only considered the patient body weight. Thus, this modeling procedure is not suitable for studying fatigue failure mechanisms. The aim of this project is to evaluate if a dynamic modeling of the patient gait gives a more realistic mechanical prediction of the bone-LCP assembly.  The first part of this project was to study a real broken LCP in order to identify its failure mechanism. Chemical analysis, hardness tests, and microstructural analysis confirmed that the implant was manufactured from cold-worked stainless steel 316L. The macro and micro fractographic analyses revealed that the failure mechanism was fatigue. A crack propagated over more than 85% of the implant cross section, which demonstrates that the implant underwent several loading cycles of low stress amplitude. The number of cycles before failure was approximated to 106 according to the patient number of steps over 2 years. From this number of cycles and from the material properties, the crack initiation and propagation stress variation was approximated to 400 MPa (stress amplitude of 200 MPa at R = 0). In addition to the fractographic observations, a finite element analysis of the femur-LCP assembly indicated that the crack initiation site was located in a highly stressed region. From an engineering point of view, the several fixation holes of the LCP give installation versatility but induce stress concentration that results in a low fatigue resistance of the assembly. The implant geometry and installation method could be optimized in order to reduce the risk of fatigue failures.  The second part of this project was to develop a dynamic model that computes the implant stress distribution during a complete gait cycle. A flexible multibody dynamic model of the femur-LCP assembly was designed according to the patient gait analysis and the studied implant geometry. The objective was to closely reproduce the loading conditions that led to the LCP failure. For comparison purposes, a static method found in the literature was also employed to compute the stress distribution in the implant. The results showed that this static method underestimates the maximum stress (76 MPa), when compared to the developed dynamic method (346 MPa). This conclusion is supported by the crack initiation stress obtained following the failure analysis, previously performed on the case studied. The dynamic method predicted stresses in closer agreement with the failure analysis because it considers the human joint torques and the dynamic effects characterizing gait. This method also has the advantage of presenting the temporal evolution of stress during a complete gait cycle. The maximum stress was identified at 48% of the gait cycle, which is at the end of stance phase. This fluctuation of the critical stress is mandatory when studying fatigue failures and is necessary to approximate the number of cycles before failure.  The last part of the project was to evaluate the sensibility of the dynamic model (bone strain at the fracture and implant maximum stress) to a critical installation variable, which in this project is the selection of the LCP length by the surgeon. It was studied on four LCP lengths: 170, 206, 242 and 278 mm. The maximum stress in the longer plate was 20% higher than the one found with the shorter plate, but the bone strain was 24% lower with the longer plate. Thus, a longer LCP takes more over the body weight loads than the shorter one, but shows a higher risk of fatigue failure. This sensibility evaluation demonstrates that the developed dynamic model predicts measurable values giving indication on the suitability of the installation in terms of healing process and implant stresses.  The main conclusion of this project is that the flexible multibody dynamic modeling of a lower limb implant during gait gives a stress distribution that is in agreement with a failure analysis. Moreover, the stability level associated with the installation method of LCP can be evaluated from this dynamic model by characterizing the bone strain at the fracture site, as well as the implant critical stress. The development of the flexible multibody dynamic modeling of the femur-LCP assembly is the basis of future tools development that will assist the design and installation of lower limb implants in order to reduce the fatigue failures.


identifier: Chen, B. (2017). Arc Routing Problems with Time Duration Constraints and Uncertainty  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le problème résolu dans cette thèse est divisé en deux parties: 1) la localisation-affectation pour les tournées sur les arcs en tenant compte des caractéristiques des secteurs, c'est-à-dire le problème de conception des secteurs (SDP), 2) le routage robuste sur les arcs avec contraintes de durée (RARPTD). Les objectifs de cette recherche sont les suivants: 1) développer une formulation mathématique pour la conception des secteurs en considérant le temps de passage sur les arcs et le niveau de service requis. Le résultat du modèle mathématique donne une solution optimale pour le problème de localisation-affectation pour les tournées sur les arcs, 2) proposer un algorithme heuristique efficace, qui assure à la fois des coûts acceptables et de bonnes caractéristiques des secteurs. L'algorithme heuristique donne une solution applicable pour le problème de conception des secteurs, 3) développer une formulation mathématique déterministe pour le problème de tournées sur les arcs avec contraintes de durée et concevoir un jeu de données d'incertitude des temps de parcours et de service, 4) proposer une formulation résoluble pour le problème de tournées robustes sur les arcs avec contraintes de durée. Les essais sont conduits avec des données générées aléatoirement et avec un cas réel de réseau. L'analyse des résultats démontre que l'algorithme heuristique en trois étapes est plus facile à utiliser que l'algorithme branch-and-cut. De plus, l'algorithme heuristique en trois étapes peut générer une bonne solution avec des secteurs concis et bien conçus. En ce qui concerne le RARPTD, les essais montrent que les réseaux de petite taille peuvent être résolus rapidement. L'analyse de sensibilité indique que: 1) il existe toujours deux façons d'améliorer la robustesse de la solution optimale: payer le prix de la robustesse ou ajuster l'allocation des arcs aux secteurs, 2) lorsque le nombre de véhicules augmente, la solution optimale sous faible niveau d'incertitude peut être plus robuste, mais le coût des solutions optimales sous le même niveau d'incertitude augmente.  ABSTRACT: The problem solved in this thesis is divided into two parts: 1) location-allocation arc routing with considering the characteristics of sectors, namely, the sector design problem (SDP), 2) robust arc routing with time duration based on the sectoring result of sector design (RARPTD). The objectives of this research are: 1) to develop a location-allocation arc routing mathematical formulation with considering the deadheading time and required service level. The result of the mathematical model provides an optimal solution for the location-allocation arc routing problem, 2) to design an effective and efficient heuristic algorithm, which ensures both acceptable cost and good sector characteristics. The heuristic algorithm provides an applicable solution for the sector design problem, 3) to develop the deterministic mathematical formulation for the arc routing problem with time duration and deadheading time and design the uncertainty support set of the service time and deadheading time, 4) to propose a solvable formulation for the robust arc routing problem. The result of the robust formulation provides the robust optimal solution for the robust arc routing problem with time duration. Experiments are conducted with randomly generated instances and a real network case. The results analysis demonstrates that the three-stage heuristic algorithm is computationally more tractable than the branch-and-cut algorithm and could yield high quality solution with compact and good shaped sectors. As for the part of RARPTD, experiments demonstrate that small-sized networks can be solved to optimality quickly and sensitivity analysis indicates: 1) there are always two ways to improve the robustness of the optimal solution: pay the price of robustness or adjust the allocation of required edges, 2) when the number of vehicles increases, the optimal solution under low uncertainty level can be more robust but the cost of the optimal solutions under the same uncertainty level increases.


identifier: Venereo Sánchez, A. (2017). High-Yield Production Process of Influenza Virus-Like Particles in Human Cells Toward Large-Scale Vaccine Manufacturing  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le virus influenza a été la cause d'épidémies et de pandémies parmi les plus anciennes et meurtrières rapportées dans l'histoire de l'humanité. La vaccination est le moyen le plus efficace de prévenir les infections. Par contre, la fabrication actuelle des vaccins contre l'influenza se fait dans les oeufs, avec des embryons de poulet, un procédé lent et laborieux qui limite la capacité de répondre efficacement en cas de pandémie ou suite à une forte demande pour la grippe saisonnière. De plus, ces vaccins induisent principalement une réponse humorale contre les antigènes dominants hémagglutinine (HA) et neuraminidase (NA), deux protéines du virus, causant un manque de protection croisée contre certaines des nouvelles souches. Leur efficacité est également réduite chez certains groupes plus vulnérables (par ex. personnes âgées et jeunes enfants). Par conséquent, l'industrie se tourne vers le développement d'une nouvelle gamme de vaccins plus immunogéniques et produits à partir de plateformes plus efficaces. Les particules pseudo-virales (Virus-like particles en anglais, VLPs) constituent une alternative intéressante comme vaccin. Les VLPs présentent une structure qui s'apparente à celle des virus de type sauvage, en permettant la présentation à leur surface des antigènes principaux, dans leur conformation native. De plus, les particules pseudo-virales sont non-infectieuses et incapables de se répliquer. Les cellules de mammifères offrent plusieurs avantages comme plateforme d'expression pour la synthèse de nombreux produits biopharmaceutiques; elles sont capables d'effectuer des modifications post-traductionnelles complexes, de croître à haute densité et de produire des VLPs en suspension et en bioréacteur. Jusqu'à maintenant, les études traitant des VLPs influenza (produites avec des cellules de mammifères) se sont concentrées principalement sur l'assemblage du virion et sur le mécanisme de bourgeonnement cellulaire, alors que seulement un nombre limité d'études porte sur leur production à grande échelle et leur emploi potentiel comme vaccin. Dans le cadre de cette thèse, un bioprocédé transposable à grande échelle pour produire des quantités importantes de VLPs chimériques Gag-influenza à partir de cellules HEK-293 (cellules de reins issues d'un embryon humain) a été développé. En premier lieu, nous avons généré une lignée cellulaire HEK-293 exprimant de façon stable les protéines HA et NA (souche H1N1 du virus Influenza) sous le contrôle d'un système inductible au cumate. Ensuite, la formation des VLPs chimériques a été induite et dirigée par la transfection de plasmides codant la protéine Gag du virus de l'immunodéficience humaine ou la protéine M1, vii une composante de la matrice du virus de l'influenza. La protéine Gag a été fusionnée à la protéine fluorescente verte pour faciliter le suivi de la production des VLPs. Les protéines antigéniques ont été produites 7 fois plus efficacement en présence de la protéine Gag, ce qui indique qu'il s'agit d'une meilleure protéine structurale que M1 dans ce contexte. Par conséquent, la production de VLPs contenant HA-NA et Gag (par transfection) a donc été transférée à l'échelle d'un bioréacteur de 3L avec agitation. Les VLPs ont été recueillies par ultracentrifugation sur un coussin de sucrose, puis concentrées par filtration à flux tangentiel en employant une membrane ayant des pores d'une taille limite de 1000 kDa. Plusieurs techniques ont été employées pour caractériser les VLPs produites: immunodiffusion radiale simple, essai d'hémagglutination, immunobuvardage de type Western et dot blot, ainsi que la microscopie électronique à transmission. Par ailleurs, lors d'essais sur des animaux, l'immunisation intranasale à partir de VLPs a permis d'induire une réponse immunitaire spécifique en plus de conférer une protection totale à toutes les souris soumises à l'épreuve (100% d'efficacité) avec une souche homologue de l'influenza. Après avoir démontré l'efficacité des VLPs comme vaccin in vivo (démonstration de faisabilité), une nouvelle lignée cellulaire inductible a été développée, exprimant cette fois les trois protéines HA, NA et Gag fusionnée à la GFP. Le but de générer une telle lignée était de simplifier le procédé de production en éliminant l'étape de transfection transitoire, qui peut être laborieuse à conduire à grande échelle. Sans sacrifier la production spécifique, le procédé a été optimisé pour obtenir une plus grande production volumétrique en augmentant notamment la densité cellulaire au moment de l'induction et en employant un mode de perfusion. L'opération a été réalisée à l'aide d'un bioréacteur de 3L et d'une filtration à flux tangentiel subséquente permettant d'augmenter les rendements de VLPs de 60 fois (3x1011 Gag-GFP événements fluorescents/L de culture mesurés par cytométrie de flux) en comparaison à une production sans perfusion (5x109 Gag-GFP événements fluorescents/L). Le procédé a été caractérisé en déterminant la cinétique de production des protéines d'intérêts présentes dans les VLPs (le procédé en amont) ainsi que le taux de récupération pour chaque opération unitaire de la purification (le procédé en aval). L'opération du bioréacteur, en mode de perfusion et avec la lignée stable 293-HA/NA/Gag-GFP, a permis d'obtenir 5 fois plus de protéines antigéniques HA dans les VLPs que le bioréacteur opéré sans perfusion où la transfection transitoire a été employée. Le nouveau procédé développé viii a permis de générer des rendements supérieurs à ceux publiés jusqu'à ce jour pour des VLPs influenza produits à partir de cellules de mammifères. Finalement, dans le but de répondre à certaines préoccupations de biosécurité associées à un usage potentiel de VLPs comme vaccins (parce que ce sont des particules enveloppées qui bourgeonnent d'une cellule hôte et qui renferment des protéines cellulaires, de l'ADN et de l'ARN), nous avons effectué une caractérisation du protéome des VLPs Gag-influenza produites par transfection transitoire et des vésicules extracellulaires produites par des cellules HEK-293 de type sauvage. Les fonctions des protéines identifiées dans les VLPs et dans les vésicules extracellulaires ont été discutées. Le procédé développé dans le cadre de cette thèse devrait être efficace pour produire des VLPs exposant les protéines HA et NA issues de différentes souches d'influenza. Les VLPs produites pourraient être évaluées dans le cadre d'essais cliniques dans le but de conduire au développement d'un vaccin efficace et sécuritaire pour remplacer ou complémenter le procédé actuel de production dans les embryons poulets.  ABSTRACT: Of the fatal infections noted in human history, influenza epidemics and pandemics are among the most ancient. Vaccination remains the most effective tool to prevent infection. However, the current production of influenza vaccines in embryonated chicken eggs has limited capacity during pandemics or high demand seasons, and is both labor-intensive and time-consuming. Furthermore, the seasonal egg-produced vaccines mainly induce humoral response to the Hemagglutinin (HA)/Neuraminidase (NA) dominant antigens, which leads to a lack of cross-protection against other non-matching novel strains. In addition, the vaccines provide low protection in high risk groups (e.g., elderly and young children). Consequently, the industry is moving toward the development of novel, more immunogenic influenza vaccines as well as more efficient production platforms. Virus-like particles (VLPs) constitute a promising alternative as influenza vaccine. They mimic the particulate structure of wild-type viruses while they are non-infectious, non-replicative particles, and the main antigens repetitively displayed on their surface maintain the native conformation. Mammalian cell culture offers several advantages for the production of biopharmaceuticals such as their ability to perform complex post-translational modifications and the high cell densities and productivities reached in suspension culture bioreactors. Up to now, the production of influenza VLPs from mammalian cells has been mostly addressed to study influenza assembly and budding mechanisms but little attention has been paid to its potential use for large-scale manufacturing of VLPs as influenza vaccine candidate. The aim of this thesis was to develop a scalable process to produce large quantities of chimeric influenza Gag-VLPs from stable human embryonic kidney HEK-293 cells in suspension culture. First, a HEK-293 cell line stably expressing HA and NA proteins of influenza (subtype H1N1) under the regulation of the inducible cumate system was established. Then, the formation of VLPs was mediated by transient transfection of plasmids encoding human immunodeficiency virus (HIV) Gag or M1 influenza matrix protein. Gag protein was fused to the green fluorescent protein (GFP) to facilitate the monitoring of VLPs production. VLP antigenic proteins were produced seven times more efficiently in the presence of Gag, indicating that Gag is a better scaffolding protein than M1 in this context. Subsequently, the production of HA-NA containing VLPs after transient transfection of Gag as scaffold protein was successfully implemented in a 3-L controlled stirred tank bioreactor. VLPs were recovered by ultracentrifugation on a sucrose x cushion followed by concentration through tangential flow filtration (TFF) using a 1000 KDa cut-off membrane. Different techniques were employed to characterize the produced VLPs: Single radial immunodiffusion (SRID), hemagglutination assay, dot-blot, western-blot, and transmission electron microscopy (TEM). Of great significance, intranasal immunization of VLPs induced specific immunogenic response and provided complete protection in mice challenged with the homologous influenza strain. Once the proof of concept of VLPs as an efficacious influenza vaccine was demonstrated in vivo, we developed a new inducible cell line expressing the three proteins HA, NA and the Gag fused to GFP. This was performed in an effort to streamline the production process by eliminating the transient transfection step that can be cumbersome at large scale. The process was optimized to reach a high volumetric yield of VLPs by increasing the cell density at the time of induction without sacrificing the cell specific productivity. By operating a 3L-bioreactor in perfusion mode followed by TFF, the yields of VLPs were improved by 60-fold (3x1011 Gag-GFP fluorescent events/L of culture measured by flow cytometry) compared to a standard batch culture (5x109 Gag-GFP fluorescent events/L). The process was characterized for the upstream kinetics of production of VLP proteins and recovery rates for each downstream step. The production of a single bioreactor, operated in perfusion mode, with the stable cell line 293-HA/NA/Gag-GFP yielded 5-fold more total VLP antigenic HA proteins than what was produced with the 3L-batch bioreactor using transient transfection. Our process provided unprecedented yields of influenza VLPs produced from mammalian cells. Finally, because VLPs are enveloped particles that bud from a host cell potentially enclosing host cell proteins, DNA and RNA, which could pose a safety concern, we performed a proteomic characterization of the influenza Gag-VLPs produced by transient transfection and also extracellular vesicles (EVs) produced from wild-type HEK-293 cells. The functions of all proteins identified within VLPs and EVs were critically discussed. The process developed in this thesis could support the production of VLPs harboring HA and NA of different strains for clinical trials and could potentially result in a better vaccine candidate with higher efficacy and safety to replace the current labor-intensive egg-produced influenza vaccines.


identifier: Leroux, M. (2017). Design d'un manipulateur robotique à architecture anthropomorphique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les robots à architecture anthropomorphique, c'est-à-dire inspirée des mécanismes du corps humain, sont des outils qui pourraient être d'une grande utilité dans le domaine de la robotique de réadaptation et d'assistance étant donné l'aspect intuitif, relativement à leur fonctionnement et leur comportement, que leur apporte leur forme familière. Toutefois, les robots  anthropomorphiques actuellement existants sont généralement développés dans le cadre d'applications particulières et ne sont par conséquent pas appropriés pour un transfert vers le domaine de la robotique d'assistance et de réadaptation. Par conséquent, il n'existe pas de plateforme de développement robotique permettant le développement d'applications mettant à profit au maximum une architecture biomimétique pour des usagers sans formation en robotique comme les cliniciens en réadaptation et les bénéficiaires de robots d'assistance. Dans ce contexte, l'objectif de ce mémoire est de concevoir une plateforme robotique à architecture anthropomorphique suivant le plus fidèlement possible l'architecture du bras humain pour maximiser l'apport intuitif de la forme familière de l'appareil pour son fonctionnement et son interaction avec son environnement. Particulièrement, un effort est appliqué pour inclure dans le mécanisme la structure à deux os de l'avant-bras afin de rendre possible une reproduction réaliste du mouvement de pronation-supination du bras, le mouvement le plus complexe du membre supérieur puisqu'il implique une boucle cinématique fermée et de nombreux joints passifs. En premier lieu, un modèle biomécanique du membre supérieur a été choisi pour répondre à la problématique, puis ses caractéristiques principales ont été spécifiées. La chaîne cinématique du modèle biomécanique a par la suite été traduite en chaîne cinématique pour un robot, en s'assurant que chacun des sous-mécanismes reproduise bien les caractéristiques soulignées du modèle. Ces mécanismes ont permis de faire les plans entier du manipulateur robotique à l'aide d'un logiciel de dessin assisté par ordinateur. Afin de choisir les actionneurs nécessaires au fonctionnement du robot, une simulation de suivi de trajectoire avec contrôle par couple pré-calculé a été élaborée. Les modèles cinématiques et dynamiques du bras, étant nécessaires à la simulation, ont été développés. Enfin, un prototype de la plateforme a été conçu par impression 3D. En comparant les plages angulaires accessibles aux différents joints du mécanisme à celles des joints du modèle biomécanique, il a été déterminé que le bras pourrait reproduire toute la gamme des mouvements humains pour laquelle la position de l'épaule est près de la position de repos.  ABSTRACT: Bio-inspired robots, more specifically, anthropomorphic robots, would be very suitable tools for assistance and rehabilitation robotics because they are, by design, very familiar and intuitive-looking both visually and in their behavior, which is ideal in a field where most users, such as patients and clinicians, do not possess an advanced knowledge of robotics. However, previously developed anthropomorphic robots are not well-suited for a direct use in such applications since they were generally designed for other industrial applications which makes them cumbersome and complex to use. It is not ideal for use in assistance robotics. Moreover, none of them actually correctly mimics the two-bones structure of the arm-forearm complex of the human arm and thus the designs are not biofidelic. Therefore, there is currently no robotic development platform dedicated to anthropomorphic robotics for the field of rehabilitation and assistance. Given this context, the objective of this study is to design the first robotic development platform with an anthropomorphic architecture which reproduces as best as possible the biomechanics of the human upper-limb for intuitive control and interaction. Specifically, the mechanism of the robotic arm will include the two-bones structure of the forearm for an accurate replication of the motion of pronation-supination, which is the most intricate motion of the arm. First, a biomechanical model of the upper-limb was chosen to fit the objective of the project and its key characteristics were analysed. This model was then translated into a robotic kinematic chain whose sub-mechanisms mimic the highlighted characteristics of the biomechanical model. The designed mechanisms were then included in a complete computer-assisted drawing of the robot. The choice of actuators on the robot was made based on the results of a path-following by computed-torque simulation of the robot, which required the kinematic and dynamic models of the robot to be developed. Finally, a physical prototype of the robot was built using rapid prototyping. Comparing the range of motion of each of its actuators, it appeared that the robot arm should be able to imitate accurately any human motion of the arm for which the shoulder is close to its resting position. Applications and research in rehabilitation and assistance robotics where accurate reproduction of the human motion of the arm is necessary. For example, determining the mathematical optimization criterion for humanlike path-planning can now be performed with the designed robot.


identifier: Gauvin, C. (2017). Modèles d'optimisation stochastique pour le problème de gestion de réservoirs  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La gestion d'un système hydroélectrique représente un problème d'une grande complexité pour des compagnies comme Hydro-Québec ou Rio Tinto. Il faut effectivement faire un compromis entre plusieurs objectifs comme la sécurité des riverains, la production hydroélectrique, l'irrigation et les besoins de navigation et de villégiature. Les opérateurs doivent également prendre en compte la topologie du terrain, les délais d'écoulement, les interdépendances entre les réservoirs ainsi que plusieurs phénomènes non linéaires physiques. Même dans un cadre déterministe, ces nombreuses contraintes opérationnelles peuvent mener à des problèmes irréalisables sous certaines conditions hydrologiques. Par ailleurs, la considération de la production hydroélectrique complique considérablement la gestion du bassin versant. Une modélisation réaliste nécessite notamment de prendre en compte la hauteur de chute variable aux centrales, ce qui mène à un problème non convexe. En outre, de nombreuses sources d'incertitude entourent la réalisation d'un plan de production. Les prix de l'électricité sur les marchés internationaux, la disponibilité des turbines, la charge/demande du réseau ainsi que les apports en eau sont tous incertains au moment d'établir les soutirages et les déversés pour un horizon temporel donné. Négliger cette incertitude et supposer une connaissance parfaite du futur peut mener à des politiques de gestion beaucoup trop ambitieuses. Ces dernières ont tendance à engendrer des conséquences désastreuses comme le vidage ou le remplissage très rapide des réservoirs, ce qui conduit ensuite à des inondations ou des sécheresses importantes. Cette thèse considère le problème de gestion de réservoirs avec incertitude sur les apports. Elle tente spécifiquement de développer des modèles et des algorithmes permettant d'améliorer la gestion mensuelle de la rivière Gatineau, notamment en période de crue. Dans cette situation, il est primordial de considérer l'incertitude autour des apports, car ces derniers ont une influence marquée sur l'état hydrologique du système en plus d'être la cause d'évènements désastreux comme les inondations. La gestion des inondations est particulièrement importante pour la Gatineau, car la rivière coule près de la ville de Maniwaki qui a déjà vécu des inondations dans le passé et continue de présenter des risques importants. Cette rivière représente également une excellente étude de cas, car elle possède plusieurs barrages et réservoirs. La grande dimension du système rend difficile l'application de certains algorithmes populaires comme la programmation dynamique stochastique. Afin de minimiser le risque d'inondations, on propose initialement un modèle de programmation stochastique multi-étapes (multi-stage stochastic program) basé sur les règles de décision affine et les règles de décision affines liftées. On considère l'aversion au risque en évaluant la valeur à risque conditionnelle (conditional value-at-risk) aussi connue comme "CVaR". Ce travail considère une représen-tation polyhédrale de l'incertitude très simple basée sur la moyenne et la variance d'échantillon. Le deuxième article propose d'améliorer cette Représentation de l'incertitude en considérant explicitement la corrélation temporelle entre les apports. À cet effet, il introduit les modèles de séries chronologiques de type ARIMA et présente une manière de les incorporer efficacement dans un modèle multi-étapes avec règles de décision. On étend ensuite l'approche pour évaluer les processus GARCH, ce qui permet d'incorporer l'hétéroscédasticité. Le troisième travail raffine la représentation de l'incertitude utilisée dans le deuxième travail en s'appuyant sur un modèle ARMA calibré sur le logarithme des apports. Cette représentation non linéaire mène à un ensemble d'incertitude non convexe qu'on choisit d'approximer de façon conservatrice par un polyhèdre. Ce modèle offre néanmoins plusieurs avantages comme la possibilité de dériver une expression analytique pour l'espérance conditionnelle. Afin de considérer la hauteur de chute variable, on propose un algorithme de région de confiance très simple, mais efficace. Ces travaux montrent qu'il est possible d'obtenir de bons résultats pour le problème de gestion de réservoir en considérant les règles de décision linéaires en combinaison avec une représentation basée sur les processus ARIMA.  ABSTRACT: The problem of designing an optimal release schedule for a hydroelectric system is extremely challenging for companies like Rio Tinto and Hydro-Québec. It is essential to strike an adequate compromise between various conflicting objectives such a riparian security, hydroelectric production as well as navigation and irrigation needs. Operators must also consider the topology of the terrain, water delays, dependence between reservoirs as well as non-linear physical phenomena. Even in a deterministic framework, it may be impossible to find a feasible solution under given hydrological conditions. Considering hydro-electricity generation further complicates the problem. Indeed, a realistic model must take into account variable water head, which leads to an intractable bilinear non-convex problem. In addition, there exists various sources of uncertainty surrounding the elaboration of the production plan. The price of electricity on foreign markets, availability of turbines, load of the network and water inflows all remain uncertain at the time of fixing water releases and spills over the given planning horizon. Neglecting this uncertainty and assuming perfect foresight will lead to overly ambitious policies. These decisions will in turn generate disastrous consequences such as very rapid emptying or filling of reservoirs, which in turn generate droughts or floods. This thesis considers the reservoir management problem with uncertain inflows. It aims at developing models and algorithms to improve the management of the Gatineau river, namely during the freshet. In this situation, it is essential to consider the randomness of inflows since these drive the dynamics of the systems and can lead to disastrous consequences like floods. Flood management is particularly important for the Gatineau, since the river runs near the town of Maniwaki, which has witnessed several floods in the past. This river also represents a good case study because it comprises various reservoirs and dams. This multi-dimensionality makes it difficult to apply popular algorithms such as stochastic dynamic programming. In order to minimize the risk of floods, we initially propose a multi-stage stochastic program based on affine and lifted decision rules. We capture risk aversion by optimizing the conditional value-at-risk also known as "CVaR". This work considers a simple polyhedral uncertainty representation based on the sample mean and variance. The second paper builds on this work by explicitly considering the serial correlation between inflows. In order to do so, it introduces ARIMA time series models and details their incorporation into multi-stage stochastic programs with decision rules. The approach is then extended to take into account heteroscedasticity with GARCH models The third work further refines the uncertainty representation by calibrating an ARMA model on the log of inflows. This leads to a non-convex uncertainty set, which is approximated with a simple polyhedron. This model offers various advantages such as increased forecasting skill and ability to derive an analytical expression for the conditional expectation. In order to consider the variable water head, we propose a successive linear programming (SLP) algorithm which quickly yields good solutions. These works illustrate the value of using affine decision rules in conjunction with ARIMA models to obtain good quality solutions to complex multi-stage stochastic problems.


identifier: Roohi Noozadi, A. A. (2017). Forward and Inverse Modelling of Magnetic Induction Tomography (MIT) for Biomedical Application  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse développe un outil de simulation destiné au design d'instruments de tomographie par induction magnétique (MIT pour Magnetic Induction Tomography). Ce simulateur permet d'investiguer la possibilité d'utiliser la méthode d'imagerie par tomographie par induction magnétique afin de faire la conception d'un dispositif sans-contact capable de détecter une hémorragie à l'intérieur du crâne humain. La méthode spécifique de calcul numérique utilisée pour la simulation du dispositif de même que le calcul de la sensibilité avec la méthode directe (introduite dans cette thèse) et la résolution du problème inverse, qui construit une carte de la conductivité à partir des résultats de simulation, sont optimisés afin de simuler un dispositif opérant à 50 kHz. Ce dispositif est capable de détecter le changement de la conductivité dans une gamme se rapprochant de celle des tissus biologiques. Le fonctionnement de base de la tomographie par induction magnétique repose sur les mesures des propriétés électromagnétiques dites passives telles que la conductivité. L'utilisation d'une telle méthode pour détecter les hémorragies cérébrales se justifie par le fait que la conductivité du sang est plus élevée que la conductivité des autres tissus constituant le cerveau. Une autre application potentielle de cette méthode est le suivi en temps réel, de manière non invasive,de l'altération des tissus qui peut s'observer à partir d'un changement de conductivité, par exemple les problèmes respiratoires, la guérison de plaies ainsi que les processus ischémiques. Les bobines d'induction dans le dispositif de tomographie par induction magnétique produisent un champ magnétique primaire dans la région d'intérêt (ROI pour Region of Interest)et ce champ alternatif induit des courants alternatifs (courants de Foucault) dans les régions conductrices. Ces courants induits produisent à leur tour un champ magnétique secondaire dans la région d'intérêt. Ce champ magnétique secondaire produit un champ aux bobines de réception qui est utilisé pour reconstruire la distribution de la conductivité dans la région d'intérêt. Un défi important concernant l'état de l'art de ces dispositifs est la détection du signal secondaire en présence du signal primaire, qui est plusieurs ordres de grandeur plus fort. Le dispositif présente utilise une géométrie pour l'induction et la détection spécialement conçue pour opérer dans les basses fréquences avec un ratio signal sur bruit acceptable de même qu'une configuration du détecteur qui est moins sensible au champ primaire. La méthode directe du calcul de la matrice de sensibilité introduite dans cette thèse nous fournit une méthode numérique robuste pour la reconstruction d'images, ce qui résulte en une qualité d'image supérieure par rapport aux autres méthodes proposées dans la littérature.  ABSTRACT: This thesis develops a simulation package for the design of Magnetic Induction Tomography (MIT) instruments and exploit the simulator to investigate the possibility of using the magnetic induction tomography imaging method to design a non-contact device capable of detecting a blood hemorrhage inside the skull. The specific numerical method (full Maxwell's equation) used for simulation of the device, followed by calculation of the sensitivity with the direct method (introduced in this dissertation) and a regularized inverse solver which reconstruct the conductivity map from the simulation outputs (magnetic field), are optimized to simulate a device operating at 50 kHz. This device is capable of detecting the change in conductivity in ranges close to biological tissues. MIT operates based on the measurement of passive electromagnetic properties such as conductivity. The rationale behind using this method for detecting cerebral stroke is based on the fact that the conductivity of the blood is larger than that of the other tissues in the head. Other potential medical applications for this device are real-time, non-invasive monitoring of tissue alterations which are refected in the change of the conductivity, e.g. ventilation disorders, wound healing and ischemic processes. The inductive coils in the MIT device produce a primary magnetic field in the region of interest (ROI) and this alternating magnetic field induces alternating (eddy) currents in the conductive regions. These eddy currents, in turn, generate a secondary magnetic field in the ROI. This secondary magnetic field generates a field at the receivers, which is used to reconstruct the conductivity distribution of the ROI. An important challenge in the state of art devices is the detection of the secondary signal in the presence of the primary signal, which is orders of magnitude stronger. The device uses a geometry in induction and detection designed to operate in low frequencies with acceptable SNR and detector configuration that is least sensitive to the primary field. The direct method of calculating the sensitivity matrix introduced in this thesis provides us with a robust numerical method for image reconstruction which results in superior image quality compared to other proposed methods in the state of the art. The proposed configurations involves a cylindrical shape device with 6 concentric excitation coils which are located at different heights on the outer surface of the cylinder. These coils produce a primary magnetic �eld with majority of the field lines parallel to the main axis of the cylinder, where we position the object of interest. This primary field induces eddy currents (conduction and displacement current) in the conductive regions of the ROI, which generate a secondary magnetic field.


identifier: Sylvestre, J. (2017). Méthodologie d'évaluation des principaux impacts sur la population de l'augmentation du trafic ferroviaire lors de l'implantation d'un pôle logistique majeur  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le transport de marchandises par conteneurs est en plein essor depuis quelques années. Grâce à cette unité de transport, l'intermodalité entre le bateau, le train et le camion est plus efficace et permet d'offrir un service continu, fiable, sécuritaire, rapide et à moindre coût. Cette tendance a pour cause d'augmenter l'affluence de conteneurs dans les terminaux intermodaux qui se situent souvent dans les régions urbaines. Au fil du temps, les terminaux sont soumis à des contraintes de capacité face à la congestion et la densité des populations urbaines. En réponse à ce problème, de nouveaux pôles logistiques sont déployés vers les régions rurales où il y a moins d'encombrement face au développement d'infrastructures et au transport de marchandises. C'est le cas, entre autres, du nouveau terminal du port de Montréal à Contrecœur qui cherche à répondre à la demande accrue du transport par conteneurs face à des installations qui approche bientôt la pleine capacité. L'emplacement de ces futurs pôles logistiques concorde souvent avec les réseaux routiers et ferroviaires déjà en place permettant ainsi une interconnexion efficace vers les différentes régions à desservir. L'utilisation faite du transport ferroviaire et routier repose sur des facteurs comme la destination, la nature du produit, le risque et le coût. Effectivement, les économies d'échelles possibles grâce à l'utilisation d'un train de marchandises intermodal à double étages sont non négligeables pour les expéditeurs. Cette relation entre les deux modes de transport devient importante lorsque l'on considère les différentes conséquences de l'augmentation du transport de marchandises sur une région donnée. En fait, la capacité opérationnelle d'un pôle logistique et la proportion utilisée entre les modes de transport toucheront directement la population environnante. Les impacts de l'augmentation du transport de marchandises sur le réseau ferroviaire auront des conséquences différentes sur la population. Tout d'abord, l'augmentation de passages de trains sur une voie ferrée engendre de la congestion aux passages à niveau selon l'horaire, la vitesse et la longueur du train. Tout dépendant du débit de circulation aux passages à niveau, le temps de blocage peut avoir pour conséquence de créer des files d'attente importante sur réseau. La hausse des niveaux de bruit et vibrations affectera également la population à proximité des voies ferrées pouvant ainsi provoquer des perturbations du sommeil et du dérangement. Par ailleurs, le niveau de sécurité de la population est affecté par le transport de matières dangereuses et l'efficacité des services d'urgence. Effectivement, le blocage des passages à niveau peut créer des problématiques lors d'opérations des services d'urgence. Les populations aux abords des futurs pôles logistiques s'inquiètent de ces impacts possibles et il est important de considérer ses préoccupations face au succès de projets d'envergure. L'objectif de ce mémoire est de mieux comprendre ces impacts et de les évaluer afin d'obtenir des résultats pertinents face à l'implantation de nouveaux pôles logistiques majeurs. Il présente une méthodologie d'analyse des impacts sur la population face à l'augmentation d'affluence de trains sur le réseau ferroviaire par l'intégration cartographique de données, la prévision des niveaux d'activités et le calcul d'impacts sur la population concernant la circulation routière, le bruit et les vibrations et la sécurité. Finalement, un outil Excel interactif permet de déterminer le temps de passage des trains au passage à niveau, son impact sur la circulation et le nombre de personnes affectées par un certain niveau de bruit. Ce mémoire analyse les enjeux importants face à l'acceptabilité sociale des projets de pôles logistiques d'envergure en assurant une intégration positive du projet dans la communauté. Le fait de connaître les impacts probables avant la mise en opération des installations permet ainsi de s'ajuster et diminuer les effets néfastes possibles. La méthodologie permet également de justifier l'implantation de mesures d'atténuation comme l'abolition du sifflement d'un train, la pause de barrières aux passages à niveau ou même la construction d'un viaduc. Il contribue également à la sécurité de la communauté en évaluant le niveau d'efficacité des services d'urgence en identifiant les différentes problématiques liées aux passages des trains. Bref, les impacts sur la circulation dépendent fortement de la vitesse du train et du débit de circulation au passage à niveau. Par exemple, à une intersection achalandée, le délai d'attente moyen par véhicule peut atteindre 5 minutes et impacter jusqu'à 150 véhicules si un train circule à 30 km/h. Cependant, si celui-ci circulait à une plus haute vitesse, il engendrerait un plus haut niveau de bruit. Il existe donc une contradiction entre les impacts sur la circulation et les impacts sur le bruit difficilement acceptable par les communautés. En fait, le bruit d'un train de marchandises circulant à 60 km/h provoquerait un niveau de bruit de 43 dB(A) pour une personne à 300 mètres de la voie ferrée. À ce niveau sonore, c'est souvent entre 1% et 2,5% d'une population qui est affectée par le bruit en provenance du train selon la région d'analyse. Par ailleurs, la couverture des services d'incendie est touchée par le passage des trains et la cohésion entre les compagnies ferroviaires et les municipalités est primordiale. Par exemple, dans notre étude de cas, une des municipalités voit 55 % de sa population isolée du poste d'incendie en cas de blocage majeur de la voie ferrée. Finalement, le transport de conteneurs ne représente pas de risques importants concernant les matières dangereuses et engendre un niveau de vibration plutôt faible à plus de 50 mètres de la voie ferrée.  ABSTRACT: Transportation of goods by containers has been booming in recent years. Thanks to this transport unit, the intermodality between boats, trains and trucks is more efficient and offers a continuous, reliable, safe, fast and inexpensive service. This trend has increased the number of containers in intermodal terminals that are often located in urban areas. Over time, terminals are subject to capacity constraints regarding congestion and density of urban populations. In response to this problem, new logistics clusters are being deployed to rural areas where there is less congestion for infrastructure development and freight transportation. This is the case for the new terminal of Montreal Port Authority in Contrecoeur, which is seeking to meet the increased demand for containers transport against facilities that are near full capacity. The location of these future logistics clusters often coincides with the existing road and rail networks, thus allowing efficient interconnection to the different regions to be served. The use of rail and road transport is based on factors such as the destination, product nature, risk and cost. Indeed, the economies of scale possible through the use of double-stack rail transportation are not negligible for shippers. This relationship between the two modes of transport becomes important when one considers the different impacts of an increase in freight transport over a given region. In fact, the operational capacity of a logistics hub and the proportion used between modes of transport will directly affect the surrounding population. The impacts of increasing freight transport on the rail network will have different consequences for the population. First, the increase in train crossings on a railway leads to road congestion according to the timetable, speed and length of the train. Depending on the traffic flow at railroad grade crossings, blocking time can result in significant queues on the network. Higher levels of noise and vibration will also affect the population close to the railways, which can cause disturbances in sleep and annoyance. Also, the population safety is affected by the transport of hazardous materials and the effectiveness of emergency services. Indeed, the blockage of railroad grade crossings can create problems during emergency services' operation. The populations around the future logistics centers are worried about these possible impacts and it's important to consider their concerns for the success of major projects. This helps understand these impacts and evaluate them in order to obtain relevant results regarding the implementation of major new logistics clusters. It presents a methodology for analyzing population impacts facing an increase in the number of trains on the rail network through cartographic integration of data, prediction of activity levels and calculation of impacts on the population concerning traffic, noise, vibration and safety. Finally, an interactive Excel tool is used to determine the transit time of trains at railroad grade crossings, its impact on traffic and the number of people affected according to a certain level of noise. This thesis analyzes the important issues regarding social acceptability of large-scale logistics hub projects by ensuring a positive integration into the community. Being aware of the possible impacts before the terminal starts operating, makes it possible to adjust and reduce the possible adverse effects. The methodology also allows justifications on mitigation measures implementation such as the abolition of a train's whistle, the addition of barriers at railroad grade crossings or even the construction of a viaduct. It also contributes to the safety of the community by assessing the level of effectiveness of emergency services by identifying the different problems related to the passage of trains. In short, traffic impacts are highly dependent on train speed and traffic flow at the railroad grade crossing. For example, at a busy intersection, the average waiting time per vehicle can reach 5 minutes and impact up to 150 vehicles if a train travels at 30 km/h. However, if it was traveling at a higher speed, it would generate a higher level of noise. There is thus a contradiction between the impacts on traffic and the impacts on noise that is hardly accepted by communities. In fact, a freight train traveling at 60 km/h would cause a noise level of 43 dB (A) for a person standing 300 meters from the track. At this level, it is often between 1% and 2.5% of a population that is affected by noise from the train depending on the region of analysis. Moreover, the coverage of fire departments is affected by the passage of trains and the cohesion between railway companies and municipalities is crucial. For example, in our case study, one of the municipalities sees 55% of its population isolated from the fire station in the event of a major railway blockage. Finally, transportation of containers does not pose a significant risk regarding hazardous materials and generates a rather low level of vibration at more than 50 meters from the track.


identifier: Abra, O. (2017). Développement d'une approche de conception des structures en béton armé basée sur la réduction de capacité résistive  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La conception des structures ou d'éléments de structures complexes en béton armé est un défi auquel font face les ingénieurs en structures pour certains exemples de projets non conventionnels (centrales hydro-électriques, ponts, …). Dans ces cas précis, l'utilisation de méthodes de conception standard telles que la méthode sectionnelle ou la méthode des bielles et tirants peut s'avérer lourde ou inappropriée. D'un autre côté, les méthodes sophistiquées telles que les analyses non-linéaires par éléments finis ne sont pas très utilisées en pratique en raison de leur complexité et de l'absence de consensus sur leur validité.  ABSTRACT: The design of complex reinforced concrete structures or elements of structures can be a challenging task for practitioner structural engineers in some specific non-conventional projects (powerhouses, bridges, …). For these specific cases, the use of well-established and standard design methods such as sectional methods or strut-and-tie methods can result into complex and sometimes inappropriate designs. On the other hand, the use of sophisticated numerical methods such as nonlinear finite element methods is not common in these situations because of their complexity and the lack of consensus on their validity within the engineering community.


identifier: Cherkaoui, K. (2017). Planification tactique des grands projets d'ingénierie et de construction  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les grands projets d'ingénierie et de construction sont planifiés de façon hiérarchique afin de faire face à leur grande complexité. Ainsi, des échéanciers agrégés sont développés durant les premières phases de projet pour un large horizon et des échéanciers plus détaillés sont développés au fur et à mesure que le projet avance et que les informations se précisent. Les niveaux de planification agrégés sont caractérisés par des degrés élevés d'incertitude, notamment le niveau de planification tactique où des décisions importantes doivent toutefois être prises relativement à la détermination du budget de projet et des dates jalons et d'échéance. Au niveau de planification tactique, les pratiques courantes se basent sur l'ajout de sécurité dans les échéanciers tactiques de façon subjective et non fondée sur des méthodes scientifiques. Les niveaux d'agrégation sont également établis de façon arbitraire. Quant à la littérature scientifique, peu de modèles tactiques considérant l'incertitude ou évalués dans un contexte réaliste ont été proposés. En particulier, l'incertitude liée à l'agrégation des capacités est négligée dans la littérature. D'un autre côté, les hypothèses des approches proactives d'ordonnancement proposées pour le problème Resource Constrained Project Scheduling Problem (RCPSP) du niveau opérationnel ne sont pas adaptées aux hypothèses du problème Rough-Cut Capacity Planning (RCCP) du niveau tactique. Dans cette thèse, nous essayons de répondre à ces problématiques en proposant des approches de planification tactique adaptées au contexte complexe, incertain et dynamique des grands projets d'ingénierie et de construction. Nous commençons par proposer un modèle de base qui permet d'intégrer plusieurs niveaux d'agrégation des données à travers la variation des durées des périodes. L'évaluation des résultats dans un contexte incertain et dynamique a permis de relever d'une part l'avantage de l'agrégation des périodes dans la réduction considérable des temps de calcul et d'autre part l'impact négatif qu'elle engendre sur la robustesse des estimations. Nous avons proposé une approche de planification proactive destinée à la variante time-driven du problème RCCP facilement exploitable en pratique et qui permet d'améliorer grandement la robustesse du coût de projet estimé sous l'influence des incertitudes liées aux charges de travail et à l'agrégation des capacités. Nous avons également proposé des approches proactives destinées à la variante resource-driven du problème RCCP qui permettent d'améliorer la robustesse des dates jalons y compris la date d'échéance du projet sous l'influence des incertitudes citées plus haut. La comparaison de ces approches montre que la stratégie gagnante de protection des dates jalons contre les dépassements est de concentrer les marges de temps à la fin des chemins menant à ces dates.  ABSTRACT: Large scale engineering and construction projects are planned hierarchically in order to face the high level of complexity inherent to them. As such, aggregate schedules are generated for a large horizon during the first phases of the project and detailed schedules are developed as the project advances and more accurate information becomes available. The aggregate planning levels are characterized by a high level of uncertainty, especially the tactical planning level where important decisions are made concerning the project budget, milestones and due dates. At the tactical planning level, common practices are based on adding security in tactical schedules in subjective and non-scientifically based ways. Aggregation levels are also arbitrarily established. As for the scientific literature, very few tactical planning models explicitly consider uncertainty or evaluate their models in a realistic context. In particular, the uncertainty related to the aggregation of capacity estimates is neglected in the literature. On the other hand, the proactive scheduling approaches intended for the Constrained Project Scheduling Problem (RCPSP) at the operational level are based on different hypotheses than the ones of the Rough-Cut Capacity Planning (RCCP) problem intended for the tactical planning level. In this thesis, we try to address these issues by proposing tactical planning approaches appropriate to the complex, uncertain and dynamic context of large scale engineering and construction projects. We begin by proposing a base model that integrates different planning levels by varying the durations of the periods. The results evaluation in an uncertain and dynamic environment shows the considerable reduction of the computational times when aggregating the periods while a decrease in the robustness of the estimations is noticed. We have therefore proposed an easily implementable proactive planning approach for the time-driven variant of the RCCP problem that considerably improves the robustness of cost estimations in presence of the uncertainties related to the aggregation of capacities and to work contents. We have also proposed a number of proactive approaches for the resource-driven variant of the RCCP problem that improve the robustness of project milestones including the due date of the project in the presence of the uncertainties cited above. The comparison of these approaches shows that the best protection strategy of the milestones against delays is to concentrate time buffers at the end of the paths leading to these milestones.


identifier: Berthier, P. (2017). SAT : Sécurisation de l'ADS-B grâce à TESLA  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'époque où l'unique moyen de connaître la position des avions était l'utilisation de radars est révolue. Désormais, les avions sont équipés de systèmes de positionnement par satellite très précis. Depuis 2010, une nouvelle technologie, l'ADS-B, leur permet alors de transmettre leur position directement aux contrôleurs par ondes radio. Cette information est également diffusée à tous les avions aux alentours. Cependant, l'ADS-B n'intègre aucun mécanisme d'authentification ni d'intégrité des messages. Cela signifie qu'un attaquant, possédant pour quelques centaines de dollars de matériel électronique et des connaissances basiques sur le fonctionnement du protocole, peut très facilement émettre des messages pour se faire passer pour un avion aux yeux des contrôleurs. Il peut également modifier la trajectoire que ces derniers perçoivent d'un avion réel. De nombreux chercheurs se sont penchés sur cette problématique au cours des dernières années, cependant aucune des méthodes proposées ne prend totalement en compte toutes les contraintes relatives au contexte spécifique de la navigation aérienne. Parmi les méthodes traditionnelles, la cryptographie à clés symétriques ne convient pas, car elle suppose de partager la clé servant à l'authentification avec tous les récepteurs potentiels. Ces derniers seraient alors capables de se faire passer pour l'avion propriétaire de la clé. La cryptographie à clé asymétrique, quant à elle, utilise des clés et signatures relativement longues. Cela consomme une grande quantité de bande passante, alors que celle-ci est très limitée. C'est pourquoi nous proposons l'utilisation du protocole TESLA. Celui-ci combine les avantages de faible consommation de bande passante de la cryptographie symétrique, et de nondivulgation de la clé servant à la production des signatures de la cryptographie asymétrique. Cela est possible grâce à la division du temps en intervalles. Une clé servant à authentifier des messages au cours d'un intervalle ne sera dévoilée qu'au cours d'un intervalle futur. Elle ne sera alors plus valide pour authentifier de nouveaux messages, et aura été remplacée par une nouvelle clé. L'objectif de ce mémoire est donc de déterminer l'applicabilité, la performance, et la viabilité du protocole TESLA en ce qui concerne la sécurisation de l'ADS-B. Pour cela, nous avons tout d'abord introduit nos propres modifications au protocole afin de l'adapter spécifiquement au contexte du contrôle du trafic aérien. Nous avons notamment remplacé le mécanisme de synchronisation temporelle de TESLA - permettant de savoir dans quel intervalle chacun des avions se trouve - par l'utilisation du temps obtenu par satellites. Nous avons également mis en place une infrastructure à clés publiques basée sur la structure organisationnelle du contrôle du trafic aérien, avec en haut de l'échelle l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale. Le protocole TESLA ainsi modifié est nommé SAT. Puisque le protocole TESLA tire son asymétrie d'un décalage temporel entre le moment où les messages sont diffusés et celui où la clé ayant servi à l'authentification est distribuée, cela introduit un délai équivalent avant que les messages puissent être authentifiés. Plus les clés sont distribuées régulièrement, plus le délai est réduit, mais plus l'utilisation de bande passante est importante. Nous avons donc dû effectuer des simulations afin de déterminer le délai le plus court possible permettant de respecter la spécification de l'ADS-B relative à la probabilité de collision des messages et à la fréquence de mise à jour de la position des avions du point de vue des contrôleurs. Nous avons alors obtenu un délai optimal de cinq secondes. Enfin, nous avons effectué des tests d'implémentation sur radio logicielle. En effet, notre solution doit pouvoir fonctionner en parallèle de l'ADS-B traditionnel pendant la période de transition. De plus, les transpondeurs actuels doivent pouvoir être compatibles avec notre protocole par une simple mise à jour, car le coût de remplacement de ceux-ci serait trop important. Nos tests se sont révélés concluants, mais d'autres sont nécessaires avant l'obtention de la certification nécessaire à une utilisation en vol des transpondeurs SAT, et de l'adoption du protocole par l'OACI comme standard international.  ABSTRACT: Radars used to be the only way to get the position of planes from the ground. But planes are now equipped with a satellite navigation system which is very accurate. Since 2010, a new technology named ADS-B has allowed them to directly send their position to controllers thanks to a radio signal. Surrounding planes are also able to get the information. However, no authentication nor message integrity scheme is implemented in ADS-B. This means an attacker - with as little as a few hundred dollars of electronics and basic knowledge of the protocol - can easily send messages in order to impersonate a plane. He can also modify the trajectory of a real plane as seen by the controllers. Several researches have tried to tackle this problem for the past years, but none of them has really taken into account all of the constraints relative to the specific context of air traffic control. Among common methods, symmetric cryptography can't be used because it makes necessary to share the authentication key with all the potential receivers. Each of them could therefore impersonate the owner of the key. As for asymmetric cryptography, it uses long keys and signatures. This leads to a significant utilization of the scarce bandwidth. We therefore suggest the use of TESLA. It is a protocol which combines both the advantages of symmetric cryptography - low bandwidth usage - and asymmetric cryptography - not sharing the key used for producing messages signatures. This is made possible by dividing the time in intervals. A key used to authenticate messages for the duration of an interval will only be unveiled during a later interval. At this time, it won't be valid anymore for signing messages, but will have been replaced by a new key. This thesis has for objective to evaluate the relevance, the performance and the viability of TESLA for securing ADS-B. We first modified the protocol in order to make it suitable for air traffic control. We replaced the synchronization mechanism of TESLA - which makes possible to know in which interval a plane is - by the use of satellite time. We also set up a public key infrastructure based on the air traffic control hierarchy, with the ICAO at the top. The modified TESLA protocol is named SAT. The source of TESLA asymmetry comes from the time difference between the moment when a message is broadcast and the moment when the key used for authentication is unveiled. This causes a delay before messages can be authenticated. The more frequently the keys are broadcast, the shorter the delay, but the more the bandwidth is used. We therefore carried out some simulations in order to determine the shortest delay possible so that the specification of ADS-B regarding the messages collision probability and position update frequency is respected. We found an optimal delay of five seconds. Last, we performed some implementation tests on software defined radios. Our protocol has to work along with traditional ADS-B during the transition period. Moreover, current transponders have to be compatible with SAT thanks to a software update, because the cost of replacing them would be too significant. Our tests were conclusive, but further trials are necessary in order to pass the certification process. This will allow SAT transponders to be used in-flight, and the final objective is to make our solution adopted as an international standard by the ICAO.


identifier: Mahecha Capacho, D. R. (2017). Les modèles d'affaires ouverts et l'innovation dans le secteur aérospatial canadien  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente des comparaisons entre les entreprises de l'industrie aérospatiale canadienne en ce qui concerne les modèles d'affaires (« Business Model » - BM), la gestion de la propriété intellectuelle « PI » et l'innovation. La littérature présente de nombreux travaux de recherche sur l'innovation et la PI. Néanmoins, le lien entre celles-ci et les BM reste un sujet peu exploré. Notre analyse résulte de l'évaluation des données du sondage en ligne intitulé : « des modèles d'affaires ouverts dans l'industrie aérospatiale canadienne », auquel 71 entreprises ont répondu. Notre recherche est une étude exploratoire qui vise à capter la manière dont les entreprises élaborent et gèrent leurs innovations. L'aperçu du secteur se trouve détaillé par la taille, la région et la chaîne de valeurs. Nous analysons l'importance des pratiques de l'innovation ouverte et leurs incidences dans les stratégies des entreprises, ainsi que l'importance de la gestion de la PI pour assurer les ressources financières, humaines et organisationnelles qui permettent de tirer le meilleur parti des innovations. Les résultats présentent une industrie constituée principalement de petites entreprises qui consacrent leurs efforts aux innovations de produits et de procédés. Nos résultats démontrent que l'innovation et les pratiques d'IO constituent un élément essentiel pour le secteur. Par contre, l'échange d'information parmi les entreprises, les fournisseurs et les clients demeure un sujet sensible, que les entreprises ne sont pas prêtes à partager entièrement. Nous le constatons dans l'importance que les entreprises accordent au secret et à la complexité de la conception plutôt qu'aux brevets. De plus, la PI est maintenant un actif financier et fait partie des stratégies de l'entreprise. Nos résultats montrent une industrie regroupée dans des BM qui travaillent avec leur environnement et des entreprises qui comprennent l'importance des connaissances, en interne comme en externe. Le financement des stratégies contenues dans leurs BM pour l'innovation provient pour la majeure partie de subventions gouvernementales dans le cadre de projets collaboratifs et en interne. Les résultats révèlent que les employés internes représentent le partenaire le plus important pour le secteur aérospatial en matière d'innovation et, dans une position marginale, on retrouve les fournisseurs. Il s'agit d'un résultat intéressant, puisqu'il montre que les entreprises pratiquent l'innovation ouverte. Cependant, l'ouverture est limitée, car elles ont peur de perdre leur avantage concurrentiel.  ABSTRACT: This paper presents comparisons between Canadian aerospace industry companies with respect to business models "BM", Intellectual Property "IP" management, and innovation. The literature presents many works of research on innovation and IP. Nevertheless, the link between the innovation, the IP and the BM remains a little explored topic. Our analysis is the result of the evaluation of the online survey data: "Open Business models in the Canadian aerospace industry", which 71 companies responded to this survey. Our research is an exploratory study that aims to capture the way that companies develop and manage their innovations. The sector overview is detailed by size, region and value chain. We analyze the importance of open innovation "OI" practices and their implications for business strategies, and the importance of IP management in securing the financial, human and organizational resources that would make possible to take full advantage of innovations. The results show an industry mainly consisting of small companies which spend their efforts on product and process innovations. Our results show that innovation and IO practices are essential elements for the sector. However, the exchange of information among companies, suppliers and customers remains a sensitive subject, because companies are not ready to entirely share. We see this it important that companies place on the secrecy and complexity of design rather than patents. In addition, IP is now a financial asset and is part of the company's strategies. Our results show an industry grouped in BM that work with their environment and companies which understand the importance of have internal and external knowledge. Part of funding for the innovation strategies of their BM comes from government grants as part of collaborative and internally projects. The results reveal that the most important partners for the aerospace sector in terms of innovation are the internal employees, and in a marginal position, are the suppliers. This is an interesting result, because it shows that companies practice OI. However, openness is limited because companies are afraid of losing their competitive advantage.