identifier: Lord, V. (2021). Étude du comportement hydrogéochimique des rejets d'une mine de graphite  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'exploitation du graphite par l'industrie minière est appelée à s'intensifier dans les prochaines années. Historiquement, le graphite a peu été exploité au Québec et le comportement environnemental des rejets issus des mines de graphite est peu documenté. Des études récentes informent que les gisements de graphite sont souvent associés à des teneurs considérables en sulfures. La présence de sulfures dans les gisements est généralement associée à la génération de drainage minier acide (DMA) qui est un des principaux enjeux en environnement minier. Le DMA est formé par l'oxydation des sulfures en l'absence de suffisamment de minéraux neutralisants. Le potentiel de génération de DMA des rejets miniers doit être prédit avant le début des activités minières au moyen d'essais de prédiction statiques et cinétiques. La génération de DMA peut être limitée par la gestion responsable des rejets miniers. La gestion des rejets par la co-disposition des stériles et des résidus peut être utilisée en vue de limiter leur oxydation. Les résidus miniers peuvent également être désulfurés afin de réduire le volume de résidus générateurs de DMA à gérer.  L'objectif de ce projet de maîtrise est d'étudier le comportement hydrogéochimique des rejets du projet minier Matawinie de la compagnie minière Nouveau Monde Graphite (NMG). Les matériaux étudiés correspondent aux lithologies de roches stériles (paragneiss mix, paragneiss graphitique, paragneiss à biotite, méta-gabbro et charnockite) ainsi qu'aux 2 types de résidus générés (résidus concentrés sulfures (PAG) et résidus désulfurés (NAG)).  Les compositions chimiques et minéralogiques initiales ont été mesurées pour tous les matériaux. Les résultats de composition chimique ont montré que les résidus PAG ont les teneurs en métaux (Co, Cu, Fe, Ni et Zn) les plus élevées et en sulfures (± 30 % de pyrrhotite). Dans le paragneiss graphitique, des concentrations notables en métaux et en sulfures (± 5 % de pyrrhotite) ont été mesurées. Les autres matériaux à l'étude contenaient uniquement des traces de métaux et de sulfures. Les résultats ont montré que, dans tous les matériaux, le potentiel de neutralisation de l'acidité est principalement associé aux silicates (feldspaths et micas).  Un essai de prédiction statique (ABA) a été réalisé sur chacun des 7 matériaux. Les résultats ont montré que les matériaux suivants sont non-générateurs d'acidité. : paragneiss à biotite, méta-gabbro, charnockite et résidus NAG. Les lithologies de paragneiss graphitique et de paragneiss mix ont un potentiel de génération de DMA considéré comme incertain et les résidus PAG sont considérés comme potentiellement générateurs de DMA. Un essai en cellule humide et un essai en colonne ont été réalisés sur chacun des 7 matériaux. La majorité des valeurs de pH mesurées aux deux échelles se situent près de la neutralité. Les valeurs de pH mesurées dans les résidus PAG sont de l'ordre de 4 dans les essais en cellules humides et de 3 dans les essais en colonne. Les valeurs de pH mesurées dans le cas du paragneiss graphitique sont près de la neutralité dans les essais en cellules et humides et sont décroissantes jusqu'à une valeur d'environ 5 dans les essais en colonne. Les concentrations en métaux lixiviées aux deux échelles pour la majorité des matériaux sont près de la limite de détection. Les résidus PAG ont lixivié des concentrations notables de Co, Cu, Fe, Ni et Zn aux deux échelles. Le paragneiss graphitique a lixivié des concentrations notables en Co, Fe et Ni, dans les essais en colonne. Les résidus NAG ont lixivié des concentrations notables en Cu et Zn lors des essais en colonne. Les courbes d'oxydation-neutralisation ([Ca+Mg+Mn] en fonction de SO42- exprimées en mg/kg) ont montré que tous les matériaux sont non générateurs de DMA à long terme à l'exception du paragneiss graphitique et des résidus PAG. Les qualités d'eau obtenues dans les essais cinétiques ont été soumises à des calculs thermodynamiques dans le logiciel Visual MINTEQ 3.1 (mise à jour en 2019). Les résultats ont montré que les oxyhydroxydes de fer sont les espèces minérales secondaires qui sont les plus susceptibles de précipiter dans les matériaux qui contenaient initialement de la pyrrhotite. Les calculs ont également montré que la précipitation des minéraux sulfatés n'est généralement pas favorisée.  Lors du démantèlement des essais en colonne, des échantillons post-démantèlement ont été prélevés pour le paragneiss graphitique, les résidus PAG et les résidus NAG. Les compositions chimiques et minéralogiques des matériaux post-démantèlement ont été mesurées. Les résultats ont montré que la lixiviation des métaux dans les essais cinétiques peut être liée à la présence de sphalérite ((Zn,Fe)S), de chalcopyrite (CuFeS2) ainsi que de pyrrhotite (Fe1-xS) qui peut également contenir des inclusions de Ni et Co. Les résultats ont aussi montré que les grains de pyrrhotite dans le paragneiss graphitique et les résidus PAG étaient fortement altérés et que ces altérations prenaient la forme d'une matrice de cimentation principalement composée d'oxyhydroxydes de fer ainsi que d'auréoles striés autour des grains de pyrrhotite principalement composées de soufre natif, de sulfates et de thiosels. Les résidus NAG post-démantelés contenaient des grains de pyrrhotite altérés, mais ne contenaient pas de matrice de cimentation. La présence d'espèces minérales avec des états d'oxydation plus faibles que les sulfates informe que l'oxydation de la pyrrhotite a parfois été incomplète et que la réactivité réelle de la pyrrhotite est plus faible que sa réactivité théorique anticipée.  Finalement, une cellule expérimentale instrumentée, visant à vérifier l'efficacité du concept de co-disposition des rejets de NMG (recouvrements des résidus PAG déposés au-dessus des stériles avec des résidus NAG) à limiter l'oxydation des matériaux potentiellement générateur de DMA, a été construite sur le site de NMG. Les résultats ont montré que les teneurs en eau volumique passent de 0,1 à 0,2 entre la surface et la base des résidus NAG et de 0,07 à 0,2 entre la surface et la base des résidus PAG. Les concentrations en oxygène tendent à diminuer dans les résidus NAG (passage de ± 250 g/m3 à 150 g/m3 entre la surface et la base des résidus NAG) et sont nulles à la base des résidus PAG. La sensibilité de l'efficacité du concept de co-disposition a été vérifiée pour plusieurs paramètres de conception en réalisant des modélisations au moyen du logiciel SEEP/W couplé à CTRAN/W (GeoSlope International Ltd.). Les fonctions d'écoulement hydraulique et gazeux des résidus PAG et NAG ont été estimées au moyen de caractérisations réalisées en laboratoire et in situ. Dans le cas des stériles, ces fonctions ont été estimées au moyen de caractéristiques typiques. Les résultats ont montré que la diminution de la porosité (augmentation de la compaction) des résidus PAG et NAG, que l'augmentation de la réactivité des résidus NAG ainsi que l'augmentation de l'épaisseur des résidus NAG permet de réduire la quantité d'oxygène atteignant la surface des résidus PAG et améliore donc l'efficacité du concept de co-disposition. Les résultats ont également montré que la saturation des résidus PAG est essentielle pour empêcher la migration de l'oxygène à travers eux. En déposant une épaisseur de résidus PAG supérieure à 2 m, la valeur de pression d'entrée d'air (AEV ou ψa) de ces derniers est dépassée et la saturation des résidus PAG n'est pas assurée sur toute leur élévation, permettant leur oxydation par l'oxygène gazeux.  Les résultats des présents travaux ont contribué à l'avancement des connaissances en lien avec la réactivité de la pyrrhotite dans des rejets issus de l'exploitation d'un gisement de graphite. Les conclusions issues de ces travaux pourront également être appliquées par NMG afin d'établir les critères de conception relatifs à la co-disposition de leurs rejets. Il serait pertinent de réaliser des travaux supplémentaires se concentrant sur la caractérisation exhaustive de la réactivité de la pyrrhotite dans les résidus NAG afin qu'un critère de conception permettant d'optimiser ce paramètre soit établi. Les futurs travaux devraient également inclure l'analyse de la qualité des eaux de drainage s'écoulant dans la cellule de co-disposition ainsi que l'évaluation du potentiel de génération de drainage neutre contaminé (DNC) par les résidus NAG.  ABSTRACT: Graphite exploitation will intensify in the coming years. Historically, graphite was seldom exploited in the province of Quebec. Thus, the environmental behaviour of graphite mine wastes is poorly documented. Recent studies inform that graphite deposits are frequently associated to considerable grades of sulphides. The presence of sulphides in deposits is generally associated to acid mine drainage (AMD) generation, which is one of the main mining environment issues. AMD is formed upon sulphide oxidation without enough neutralizing minerals. The AMD generation potential of mine wastes must be predicted prior to the beginning of mining operations using static and kinetic prediction tests. AMD generation can be limited by implementing a responsible management of the mine wastes. The co-disposal of waste rocks and tailings can be used in order to limit the oxidation of the sulphides they contain. Moreover, tailings can be desulphurised in order to reduce the volume of AMD generator tailings that needs to be manage on the site.  This Master's project aims to study the hydrogeochemical behaviour of the mine wastes of the Matawinie mining project of Nouveau Monde Graphite (NMG). The studied materials correspond to the waste rocks lithologies (mixed paragneiss, graphitic paragneiss, biotite paragneiss, meta-gabbro and charnockite) and to the 2 types of tailings generated by the mine (sulphide concentrated tailings, PAG, and desulphurized tailings, NAG).  Initial chemical and mineralogical compositions were measured for all materials. Chemical composition results showed that PAG tailings contain the highest metals (Co, Cu, Fe, Ni et Zn) and sulphide (± 30 % of pyrrhotite) concentrations. Significant metals and sulphide (± 5 % of pyrrhotite) concentrations were also measured within the graphitic paragneiss. Other materials contained only traces of metals and sulphides. Results showed that the neutralization potential of all materials was mainly associated to silicate minerals (feldspars and micas).  Static prediction tests (acid-base accounting test or ABA) were performed on each of the materials. Results showed that the following materials are non-acid generating: biotite paragneiss, meta-gabbro, charnockite, and NAG tailings. The graphitic paragneiss and mixed paragneiss lithologies have an uncertain acid-generation potential, and the PAG tailings are considered as potentially acid-generators. One humidity cell test and one column test were performed on each of the materials. The majority of the measured pH values were near neutral at both scales. The pH values measured from the PAG tailings were in the order of 4 in the humidity cell test and in the order of 3 in the column test. The pH values measured from the graphitic paragneiss were near neutral in the humidity cell test and were decreasing to a value near 5 in the column test. For the majority of the materials, metals concentrations leached at both scales are near the detection limits. The PAG tailings leached significant concentrations of Co, Cu, Fe, Ni and Zn at both scales. The graphitic paragneiss leached significant concentrations of Co, Fe, and Ni in the column test. The NAG tailings leached significant concentrations of Cu and Zn in the column test. The oxidation-neutralization curves ([Ca+Mg+Mn] as a function of SO42- expressed in mg/kg) showed that all materials are non-acid generating in the long term except in the case of the graphitic paragneiss and PAG tailings. Water quality results obtained within kinetic tests were submitted to thermodynamic calculations using the Visual MINTEQ 3.1 (updated in 2019) software. Results showed that the secondary mineral species that is the most susceptible to precipitate into pyrrhotite-bearing materials are iron oxyhydroxides. Calculations also showed that sulfates precipitation is generally not favored within the studied materials.  During columns dismantlement, post-dismantling samples were collected from the graphitic paragneiss, PAG tailings, and NAG tailings. The chemical and mineralogical compositions of the post-dismantling materials were measured. Results showed that metals leached during kinetic tests can be related to the presence of sphalerite ((Zn,Fe)S), chalcopyrite (CuFeS2), and pyrrhotite (Fe1-xS) in the materials. It is important to note that pyrrhotite can also contain Ni and Co impurities. Results also showed that pyrrhotite grains within the graphitic paragneiss and PAG tailings were highly altered. Alterations took the form of an iron oxyhydroxide hardpan as well as striated halos composed of native sulfur and sulphate/thiosalts around the pyrrhotite grains. The post-dismantling NAG tailings contained altered pyrrhotite grains but did not contain a hardpan. Observation of sulfur species with oxidation states lower than sulfates (thiosalts) in the leachates demonstrated that pyrrhotite oxidation was incomplete and that, therefore, the actual pyrrhotite reactivity was lower than anticipated.  Finally, an experimental instrumented field cell, aiming to verify the performance of the NMG co-disposal concept (covering of the PAG tailings, deposited on top of the waste rocks, with NAG tailings) to limit the oxidation of potentially AMD generating materials, was built on the site the Matawinie project. Results showed that the volumetric water content increases from 0.1 to 0.2 between the surface and the base of the NAG tailings and increases from 0.07 to 0.2 between the surface and the base of the PAG tailings. Oxygen concentrations decrease between the surface and the base of NAG tailings (decrease of ± 250 g/m3 to 150 g/m3 between the surface and the base of NAG tailings) and is zero at the base of the PAG tailings. The co-disposal performance sensitivity was verified for several parameters with numerical modeling using SEEP/W coupled to CTRAN/W (GeoSlope International Ltd.). Hydraulic and gas flow functions of the PAG and NAG tailings were estimated using features measured in the laboratory and in situ. In the case of waste rocks, these functions were estimated using typical values from the literature. Results showed that a decrease of the NAG and PAG tailings porosity (increase of compaction), the increase of NAG tailings reactivity, as well as the increase of NAG tailings thickness all reduce the amount of oxygen that reaches the PAG tailings surface and, therefore, improve the co-disposal performance. Results also showed that that the PAG tailings saturation is essential to avoid oxygen migration through them. The saturation of PAG tailings is maintained if their thickness is lower than 2 m. Indeed, the air entry value (AEV or ψa) of the PAG tailings is in the order of 2 m. Therefore, if the thickness of the PAG tailings is higher than its AEV, their saturation cannot be ensured on all their elevation and gaseous oxygen will be able to migrate through them.  Results presented in this project contributed to the advancement of knowledge surrounding pyrrhotite reactivity into mine wastes generated by the exploitation of a graphite deposit. Conclusions from this project can be used by NMG in order to define the design criteria of their mine wastes co-disposal concept. Future work should include an exhaustive characterization of the reactivity of the pyrrhotite contained within the NAG tailings to optimize the design criteria. Futures work should also include the analysis of the in situ co-disposal water quality, as well as the evaluation of the contaminated neutral drainage generation potential of the NAG tailings.


identifier: Parenteau, M. (2021). A Non-Linear Frequency Domain Potential Flow Model for Compressible, Transonic and Viscous Aeroelastic Analyses  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La prochaine génération d'avions civils vise des réductions ambitieuses des émissions de carbone. Un objectif de réduction de 50% des émissions de CO2 a été fixé par l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale (OACI). Pour atteindre cet objectif, les avionneurs doivent envisager des configurations non conventionnelles, amenant ainsi de nouveaux problèmes de conception. Une préoccupation majeure est l'instabilité aéroélastique, telle que le flottement qui peut provoquer une défaillance structurelle quasi-instantanée dans des conditions de vol spécifiques. En effet, il s'agit d'un phénomène aéroélastique critique pour les aéronefs impactant directement l'enveloppe de vol. Malheureusement, la prochaine génération d'avions est plus sensible à cette instabilité en raison de l'utilisation de matériaux plus légers et plus flexibles et d'ailes de plus en plus effilées. Par conséquent, l'aéroélasticité est en voie de devenir un des principal moteur de conception. De ce fait, le travail présenté dans cette thèse aborde le problème de la mise oeuvre d'outils numériques rapides et précis pour l'analyse aéroélastique qui conviennent à la conception conceptuelle et préliminaire. Le défi principal concerne la mise en oeuvre du modèle aérodynamique. La réponse aéroélastique non linéaire de l'aéronef est principalement attribuée au fluide, ce qui nécessite des modèles précis pour représenter le phénomène. Cependant, les modèles de fluides haute fidélité ont tendance à avoir un coût de calcul très élevé, nécessitant des ressources de calcul qui ne sont pas nécessairement disponibles ou qui ne sont pas applicables dans les premières étapes de conception. C'est pourquoi seuls les outils de basse fidélité conviennent aux premières phases de conception. L'objectif principal de cette thèse est de développer un ensemble logiciel pour la simulation aéroélastique avec une fidélité suffisante pour représenter les instabilités aéroélastiques critiques, tout en maintenant un faible coût de calcul. Les outils développés doivent ainsi convenir à la conception préliminaire d'aéronefs. La solution proposée est basée sur la méthode Unsteady Vortex Lattice, qui est une méthode d'écoulement potentiel linéarisé. Des modifications au modèle sont proposées pour ainsi augmenter sa fidélité et améliorer son efficacité en matière d'analyse aéroélastique. Une formulation linéaire dans le domaine fréquentiel est proposée pour le UVLM afin de réduire le temps de calcul pour la solution de problèmes périodiques. Par la suite, le système linéaire est reformulé dans le problème aéroélastique classique pour obtenir une formulation compatible avec les normes de l'industrie pour l'analyse de stabilité concernant le flottement (méthode p-k). Les résultats montrent que la formulation est équivalente au Doublet Lattice Method (DLM), un standard de l'industrie, mais sans les hypothèses de dynamique hors plan. Par conséquent, l'approche est générale et est appliquée à un problème de flottement plus compliqué impliquant une dynamique dans le plan, soit la configuration empennage enT. La formulation fréquentielle linéaire est applicable uniquement aux problèmes aéroélastiques linéaires, par conséquent une formulation non linéaire est nécessaire pour l'analyse des oscillations de cycle limite (LCO). Les LCO sont un autre type de condition aéroélastique instable étroitement liée au flottement et peuvent causer une fatigue structurelle importante. Une extension non linéaire fréquentielle est donc développée en utilisant l'approche harmonic balance. La solution proposée peut résoudre des problèmes dynamiques non linéaires avec la même précision que le UVLM standard dans le domaine temporel. Cependant, plus d'un ordre de grandeur est gagné en termes de coût de calcul. Le harmonic balance VLM montre ainsi un grand potentiel pour l'analyse aéroélastique dynamique linéaire et non linéaire. La méthode est, cependant, toujours basée sur la théorie de l'écoulement potentiel linéaire, qui est rarement applicable à des conditions réelles. Afin d'améliorer la fidélité du modèle aérodynamique, une méthodologie de corrections est proposée pour introduire des effets d'épaisseur, visqueux et compressibles. Le schéma de couplage est basé sur une méthode de correction de l'angle d'attaque bien établie pour la méthode VLM stationnaire. Les corrections sont calculées de manière itérative avec des données bi-dimensionnelles (2D) aérodynamiques, comme la portance, la traînée et le moment de tangage. Les données aérodynamiques sont cependant calculées avec un modèle de fluide haute fidélité qui intègre l'épaisseur, la compressibilité, les effets transsoniques et les effets visqueux. Dans ce travail, un solveur Euler/RANS est utilisé pour fournir les données. De plus, les effets d'écoulement transversal dus à l'angle de flèche de l'aile sont introduits à travers des conditions d'aile en flèche infinie, ce qui améliore les capacités de modélisation. Étant donné que les données haute fidélité restent 2D et stables, le coût de calcul reste relativement faible, car elles sont calculées une fois et peuvent être stockées. Néanmoins, les données haute fidélité restent stationnaires, donc une extension quasi stationnaire est proposée pour les simulations instationnaires dans le domaine fréquentiel avec le VLM. Par contre, l'effet de compressibilité instationnaire n'est pas modélisé par le UVLM et il ne peut pas être introduit par l'algorithme de couplage puisque les données de section sont stationnaires. Donc, une approximation du temps retardé est proposée et mise en oeuvre dans la formulation harmonic balance du VLM. Par la suite, l'approche est vérifiée à l'aide de solutions Euler/RANS haute fidélité instationnaires pour des profils aérodynamiques oscillants. Le résultat montre que le temps retardé améliore considérablement la précision des solutions des écoulements compressibles instationnaires, tandis que l'algorithme de couplage introduit avec succès l'effet de l'épaisseur et de la viscosité. Le harmonic balance VLM avec corrections montre des capacités de modélisation suffisantes pour l'analyse aéroélastique dynamique non linéaire. La dernière partie de la thèse se concentre sur l'application du harmonic balance VLM à des problèmes aéroélastiques dynamiques. En premier lieu, les problèmes 2D sont considérés en utilisant un système aéroélastique classique à deux degrés de liberté. La limite de flottement est calculée sur la configuration Isogai et la solution est comparée à des solveurs haute fidélité. Les branches inférieure et supérieure de la limite de flottement sont calculées avec succès. Par la suite, les branches LCO sont calculées sur une configuration légèrement différente jusqu'à un nombre de Mach de 0.84. Les branches faibles instables et fortes stables sont bien représentées avec des résultats comparables à ceux des solutions Euler haute fidélité. Par la suite, la méthode est appliquée à deux cas 3D, à savoir l'aile supercritique BSCW et l'aile Agard. Pour l'aile BSCW, la pression dynamique de flottement obtenue est à moins de 1% de celle des données expérimentales. Pour l'aile Agard, la limite de flottement est également bien calculée jusqu'à un nombre de Mach de 0.678. Malheureusement, le creux de flottement à un nombre de Mach de 0.96 est sous-estimé. Finalement, le comportement LCO de l'aile Agard est étudié dans des conditions visqueuses et les résultats sont cohérents avec la littérature. L'ensemble logiciel développé dans cette thèse montre un grand potentiel d'application industrielle pour la conception d'avions. La formulation fréquentielle linéaire est efficace et inclut naturellement une dynamique dans le plan. Par conséquent, il offre de meilleures capacités de modélisation par rapport à son homologue le DLM, qui est encore largement utilisé aujourd'hui pour la certification des aéronefs. D'autre part, la formulation du domaine de fréquence non linéaire montre des capacités de modélisation non linéaire impressionnantes et l'ajout de corrections sectionnelles et compressibles permet de simuler divers problèmes aéroélastiques dynamiques non linéaires. En effet, pour des nombres de Mach modérés, la précision est comparable à celle des solveurs haute fidélité. Cependant, lorsque les effets de compressibilité deviennent important, le harmonic balance VLM est malheureusement moins fiable. Ces limites sont conformes à l'hypothèse quasi stationnaire faite pour les corrections de section. La correction du moment de tangage est également limitée aux corrections stationnaires. Par conséquent, le VLM introduit des erreurs supplémentaires pour la composante instationnaire puisque l'effet de l'épaisseur n'est pas modélisé. Enfin, la correction de compressibilité instable introduite comme un temps retardé n'est qu'une approximation. Par conséquent, un travail supplémentaire pourrait être fait sur son intégration afin d'améliorer les résultats à des nombres de Mach plus élevés. Néanmoins, ces travaux apportent des contributions majeures au domaine de l'aérodynamique numérique instationnaire, ainsi qu'au domaine de l'aéroélasticité dynamique.  ABSTRACT: The next generation of civil aircraft is aiming at ambitious reductions of carbon emissions. A goal of 50% reduction in CO2 emissions has been set by IATA. In order to achieve this goal, aircraft manufacturers will have to consider unconventional configurations, which bring new design problems. One major concern is aeroelastic instability, such as flutter which can cause structural failure in normal flight conditions. Indeed, it is the most critical aeroelastic phenomenon for aircraft impacting directly the flight envelope. Unfortunately, the next generation of aircraft is more susceptible to this instability due to the use of lighter, more flexible materials and higher aspect ratio wings. As a result, aeroelasticity is becoming the main design driver. The field of aeroelasticity studies the interaction of inertial, elastic and aerodynamic forces. Aeroelastic analysis is therefore complex, due to the interaction between the structure of the aircraft and the airflow. Consequently, implementing numerical tools capable of carrying these simulations with a relatively low computational cost represents a significant challenge. However, critical design problems can be avoided if these analyses are included as soon as possible in the design process. Therefore, the work presented in this thesis tackles the problem of implementing fast and accurate numerical tools for aeroelastic analysis that are suitable for conceptual and preliminary design. The main challenge behind this problem concerns the aerodynamic model. The non-linear aeroelastic response of the aircraft is mainly attributed to the fluid, thus requiring accurate models to capture the essential phenomenon. However, accurate fluid models tend to have a high computational cost, thus requiring computing resources that are not often available or not practical in the early design stages. As a result, only low-fidelity tools are suitable for conceptual design. The main goal of this thesis is to develop an efficient aeroelastic framework with sufficient fidelity to capture critical aeroelastic instabilities, while maintaining a low computational cost to be used early on in the design process. The proposed solution is based on the Unsteady Vortex Lattice Method, which is a linearized potential flow method. Modifications to the model are proposed to increase its fidelity and to improve its efficiency in regards of aeroelastic analysis. A linear formulation in the frequency domain is proposed for the UVLM to reduce the computational time for periodic problems. Thereafter, the linear system is recast into the classical aeroelastic problem to provide a formulation compatible with the industry standards for stability analysis to compute the flutter onset using the p-k method. The result shows that the linear frequency domain formulation is equivalent to the DLM, but without the assumptions of out-of-plane dynamics. Consequently, the approach is general and is applied to a more complicated flutter problem involving in-plane dynamics, the T-tail configuration. The linear frequency formulation is applicable to linear aeroelastic problems only, therefore a non-linear formulation is required for the analysis of Limit Cyle Oscillations. LCOs are another type of unstable aeroelastic condition closely related to flutter and it can cause serious structural fatigue. A non-linear frequency domain formulation is therefore developed using the harmonic balance approach. The proposed solution can solve non-linear dynamic problems with the same accuracy than the standard time-domain UVLM. However, more than one order of magnitude is gained in terms of computational cost. As a result, this harmonic balance VLM shows great potential for linear and non-linear dynamic aeroelastic analysis. The approach is, however, still based on linear potential flow theory, which is rarely applicable to any real aircraft flow conditions. In order to improve the fidelity of the aerodynamic model, a correction scheme is proposed to introduce thickness, viscous and compressible effects. The coupling scheme is based on a well-established angle of attack correction method for the steady Vortex Lattice Method. The corrections are computed iteratively with aerodynamic sectional data, namely the lift, drag and pitching moment. The aerodynamic data is, however, computed with a two-dimensional high-fidelity fluid model that incorporates thickness, compressibility and viscous effects. In this work, a RANS flow solver is used to provide the data. Moreover, cross-flow effects due to a geometric sweep in the wing are introduced through an infinite swept wing conditions, which improves the modeling capabilities for swept wings. Since the high-fidelity data remains 2D and steady, the computational cost remains relatively low since they are computed once and they can be stored to be used whenever necessary. Nevertheless, the high-fidelity data remains steady, thus a quasi-steady extension is proposed for the unsteady simulations with the frequency domain VLM. Furthermore, the effect of unsteady compressibility is not modeled by the UVLM and it cannot be introduced through the coupling algorithm since the sectional data is steady. As a result, an approximation of the retarded time is proposed and implemented within the harmonic balance VLM. Thereafter, the approach is verified against unsteady high-fidelity Euler/RANS solutions for pitching/heaving airfoils and a pitching wing. The result shows that the retarded time improves significantly the solution of unsteady compressible flows, while the coupling algorithm with sectional data introduces successfully the effect of thickness and viscosity. The harmonic balance VLM with corrections shows sufficient modeling capabilities for dynamic aeroelastic analysis. The final part of the thesis focuses on the application of the harmonic balance VLM to dynamic aeroelastic problems. First, 2D problems are considered using a classical two degree of freedom aeroelastic system. The complete flutter boundary is computed on the Isogai configuration with comparison against high-fidelity solution. The lower and upper branches of the flutter boundary are successfully captured by the harmonic balance. Thereafter, LCO branches are computed on a slightly different configuration up to a Mach number of 0.84. The weak unstable and strong stable branches are well captured with comparable results to high-fidelity Euler solutions. Afterward, the framework is applied to two 3D cases, namely the supercritical BSCW wing and the Agard wing. For the BSCW wing, the flutter dynamic pressure is well captured within 1% of the experimental data. For the Agard wing, the flutter boundary is also well captured up to a Mach number of 0.678. Unfortunately, the flutter dip at a Mach number of 0.96 is underestimated. The LCO behavior of the Agard wing is also investigated in viscous conditions and the results are consistent with the literature. The framework developed in this thesis shows great potential for industrial application for the design of aircraft. The linearized frequency formulation is efficient and includes naturally in-plane dynamics. Consequently, it offers better modeling capabilities when compared to its counterpart the DLM, which is still widely used today for aircraft certification. On the other hand, the non-linear frequency domain formulation shows impressive non-linear modeling capabilities and with the addition of sectional and compressible corrections, the approach can compute various non-linear dynamic aeroelastic problems with sufficient accuracy. Indeed, for moderate Mach numbers the accuracy is comparable to high-fidelity solvers. However, when compressibility effects become strong along with the unsteadiness of the flow, the harmonic balance VLM is struggling. These limitations are in line with the quasi-steady assumption made for the sectional corrections. The pitching moment correction is also limited to steady corrections, thus the VLM introduces additional errors for the unsteady component since the effect of thickness is not modeled. Finally, the unsteady compressibility correction introduced as a retarded time is only an approximation. Therefore, additional work could be done on the implementation to hopefully improve the results at higher Mach numbers. Nonetheless, this work provides main contributions to the field of unsteady aerodynamics and aeroelasticity


identifier: Pourramezan, R. (2021). A Unified Scheme for Processing, Recovery, and Quality Improvement of Synchrophasor Data  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les applications de l'unité de mesure de vecteur de phase (PMU) ont considérablement évolué ces dernières années. La prolifération des applications basées sur les synchrophaseurs nécessite le développement de méthodes novatrices et efficaces de réseautage, de traitement, d'amélioration de la qualité, et d'archivage de données. L'une des fonctions clés des réseaux synchrophaseurs est le concentrateur de données de vecteurs de phase (PDC) qui collecte les données des PMUs transmises à partir de différents lieux géographiques du réseau électrique, puis les transmet aux applications cibles. Les natures incertaines des systèmes de communication et des PMUs limitent les performances des PDC et compromettent les applications en imposant des délais excessifs, des pertes de données, des erreurs de mesure, et du bruit. Le délai, la disponibilité et la qualité des données déterminent si un réseau des synchrophaseurs peut prendre en charge certaines applications. De plus, un réseau des synchrophaseurs efficace doit être capable de traiter et d'archiver des quantités massives de données. Cette thèse propose une solution unifiée pour améliorer la disponibilité, les délais et la qualité des données de synchrophaseurs. Les principaux algorithmes de la solution proposée sont la coordination optimale de PDCs, la récupération de données synchrophaseurs manquantes, et la compression efficace pour l'archivage. Les algorithmes proposés fonctionnent en temps réel et compatibles avec toutes les exigences des applications de données de synchrophaseurs. Les modèles mathématiques du réseau de synchrophaseurs sont développés et les paramètres des PDCs sont ajustés de manière optimale pour maximiser le débit des données fournies à l'application dans les limites de temps spécifiées. L'algorithme temps réel de la récupération des données de synchrophaseurs manquantes utilise un problème non-convexe de complétion de matrices (MC) avec la pénalité quasi-norme de Schatten-q. L'algorithme d'approximation de rang réduit proposé est utilisé pour la réduction de bruit dans les données. Enfin, la méthode de compression proposée comprend une technique de réduction de dimensionnalité basée sur la décomposition en valeurs singulières (SVD) et un algorithme de partitionnement progressif. L'algorithme de partitionnement sépare les données en différentes partitions selon leurs conditions, par exemple, les conditions normales d'opération, les perturbations et les défauts. La dimensionnalité de ces partitions est réduite en rejetant les modes SVD dominés par l'erreur de mesure PMU. De nombreux tests numériques sont effectués à l'aide de données de terrain et synthétiques de PMU pour évaluer les performances des algorithmes proposés.  ABSTRACT: The applications of phasor measurement unit (PMU) have significantly matured in recent years. The proliferation of synchrophasor-based applications necessitates the development of novel and efficient data networking, processing, quality improvement, and archiving methods. One of the key functions of synchrophasor networks is phasor data concentrator (PDC) that collects PMU data from different locations of the electrical grid, and then transmits them to target applications. The uncertain natures of the communication system and PMUs limit the performance of PDCs and compromise applications by imposing excessive latencies, data loss, measurement error, and noise. Data latency, availability, and quality dictate whether a synchrophasor network can support particular applications. Moreover, an efficient synchrophasor network must be capable of processing and archiving massive amounts of data. This thesis proposes a unified scheme to improve the availability, timeliness, and quality of the synchrophasor data. The proposed scheme comprises three main algorithms, namely, optimal coordination of PDCs, missing synchrophasor data recovery, and efficient compression for archiving. The proposed algorithms are real-time and compatible with all the requirements of the synchrophasor data applications. Mathematical models of the synchrophasor network are developed, and the parameters of PDCs are optimally designed to maximize application throughput within the specified time constraints. The real-time algorithm for the recovery of missing synchrophasor data employs a nonconvex matrix completion (MC) problem with the Schatten-q quasi-norm (lq) penalty. The proposed low-rank approximation algorithm is employed to suppress the noise in data. Finally, the proposed compression method includes a singular value decomposition (SVD)-based dimensionality reduction technique and a progressive partitioning algorithm. The partitioning algorithm separates data into different partitions according to their conditions, e.g., normal operating conditions, disturbances, and faults. The dimensionality of these partitions is reduced by rejecting the SVD modes dominated by PMU measurement error. Extensive numerical tests are performed using field and simulated PMU data to evaluate the performance of the proposed algorithms. The proposed optimal coordination of PDCs significantly reduces the end-to-end latency in networks that use legacy and non-legacy communications. The recovery of consecutive and simultaneous missing data points confirms the advantages of the proposed MC algorithm, especially during disturbances and events. Finally, the results show that the proposed compression method significantly achieves high compression ratio (CR) while preserving critical information of different operating conditions.


identifier: Neal, C. (2021). Methods for Assessing the Cybersecurity Posture of Critical Infrastructure via Testbed-Based Experimentation  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les infrastructures critiques (IC) désignent les actifs et les processus permettant le fonctionnement d'une société. Elles incluent divers secteurs dont la production d'énergie, les systèmes d'alimentation électrique, les réseaux de transport, le trafic aérien, l'approvisionnement alimentaire, l'approvisionnement en eau, les services de santé publique, les manufactures, les services financiers et les services de sécurité. De plus en plus, ces systèmes sont surveillés et contrôlés par des systèmes numériques connectés aux réseaux informatiques. Il existe alors une surface d'attaque potentielle grandissante qui peut être exploitée par des concurrents capables de cyberattaques. Compte tenu de l'importance des IC dans la société, la réussite d'une cyberattaque contre elles aurait un impact direct et sérieux. Récemment, le besoin grandissant de protection des IC contre les cyberattaques s'est reflété par une croissance accrue de la recherche portant sur la protection contre ces attaques.  ABSTRACT: Critical Infrastructure (CI) refers to the assets and processes which enable the functioning of society. This includes a number of sectors, such as, energy production, electrical power systems, transportation networks, air traffic, food supply, water supply, public health services, manufacturing, financial services, and security services, to name a few. These systems are increasingly monitored and controlled by digital systems connected to computer networks and there is an ever-increasing attack surface which can potentially be exploited by cybercapable adversaries. As the number of cyberattacks against CI steadily increases, there is a demand for researchers to investigate how to protect CI from adversaries, since a successful attack can have serious impact on the welfare of society.


identifier: Labrèche, F. (2021). Better Understanding Malware through a Deep Analysis of the Infection Chain  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, l'Internet fait partie de la vie courante d'une grande majorité de personnes, et de plus en plus d'entreprises l'utilisent à travers leurs activités quotidiennes. De plus, de nombreuses institutions importantes, telles que les hôpitaux, se modernisent et implémentent des systèmes se connectant à l'Internet. Les logiciels malveillants ont donc maintenant un large éventail de victimes potentielles, et ont la possibilité de causer des dommages considérables dans plusieurs entreprises. Bien que les firmes d'antivirus développent des signatures ainsi que des heuristiques de détection pour les logiciels malveillants, les cybercriminels améliorent constamment leurs logiciels afin de contourner les logiciels de sécurité. Ces logiciels malveillants représentent donc toujours, à ce jour, une grande menace. Dans cette thèse, nous analysons la chaîne complète d'infection d'exploitation par logiciel malveillant à travers ses différentes étapes, dans le but de mieux comprendre l'écosystème des acteurs malveillants et leurs opérations. Premièrement, nous mettons l'accent sur l'attraction de victimes en établissant des communautés d'intérêts dans les réseaux sociaux et en classifiant les messages malveillants selon leurs sujets et leur chemin de diffusion à travers ces communautés. Les travaux antérieurs ont mis l'accent sur la construction de modèles de détection utilisant des caractéristiques issues du contenu de messages ou des caractéristiques du compte, ce qui peut être contourné par les attaquants en modifiant leurs messages malveillants en conséquence. Nous présentons une nouvelle approche détectant les spams sur les réseaux sociaux en modélisant la façon dont un message circule à travers des communautés. Nous soutenons que la façon dont un message légitime circule à travers les réseaux sociaux est plus difficile à simuler pour les attaquants.  ABSTRACT: Nowadays, the Internet is part of a large majority of people's daily life, and more and more businesses use it in their daily activities. Moreover, many important institutions, such as hospitals, are modernizing themselves and implementing systems that connect to the Internet. Thus, malicious software, i.e., malware, now has a large pool of potential victims, and has the potential to do considerable damage in many businesses. Although antivirus companies develop malware signatures and detection heuristics to address this issue, cybercriminals constantly update their malware in order to evade security software. Thus, to this day, malware still presents a large threat. In this thesis, we analyze the entire malware exploitation infection chain through its different steps in order to better understand the ecosystem of malicious actors and their operations. First, we focus on the attraction of victims by establishing communities of interests in social networks and classifying malicious messages according to their topics and diffusion paths through these communities. Previous research focused on building detection models using features derived from message content or account caracteristics, which can be circumvented by attackers by modifying their malicious messages accordingly. We present a novel approach which detects spam messages on social networks by modeling the way in which a message travels through communities. We argue that the way a legitimate message spreads through online social networks is harder to simulate for attackers.


identifier: Zhang, X. (2021). Exact Algorithms for Vehicle Routing Problems with Two-Dimensional Loading Constraints  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse, nous abordons les problèmes de tournées de véhicules avec contraintes de chargement à deux dimensions, dans lesquels les tournées et le chargement des véhicules sont optimisés conjointement pour réduire les coûts opérationnels. Cependant, l'intégration soulève des défis de calcul. Nous avons assisté à de nombreux efforts sur les algorithmes pour traiter ces problèmes. La grande majorité des algorithmes sont des méta-heuristiques tandis que les algorithmes exacts pour ces problèmes ont reçu beaucoup moins d'attention. Dans cette recherche, nous proposons des algorithmes exacts pour le problème de tournées de véhicules avec fenêtres de temps et contraintes de chargement à deux dimensions (2LVRPTW) et le problème de tournées avec contrainte de capacité (2L-CVRP). Développer des algorithmes exacts pour ces problèmes est très difficile, car vérifier exactement les contraintes de chargement équivaut à résoudre le problème de “strip packing problem (SPP)”, un problème fortement NP-difficile. De plus, les contraintes de chargement n'ont pas de relaxation linéaire. Par conséquent, les algorithmes basés sur la relaxation linéaire tels que l'algorithme de Branch-and-Cut (BC) ont du mal à résoudre les problèmes dus à la faiblesse des bornes duales. Enfin, la technique de génération de colonnes est considérée comme l'élément clé des algorithmes exacts pour les problèmes de tournées de véhicules. Néanmoins, il n'existe pas d'algorithme efficace pour résoudre exactement le problème de “pricing”, dont la complexité est considérablement augmentée en raison des contraintes de chargement. Ce projet est mené pour pallier ces problèmes causés par les contraintes de chargement et propose ainsi des algorithmes exacts efficaces. Dans le premier article, nous proposons deux algorithmes de Branch-and-Price (BP) pour le 2L-VRPTW. Pour faire face aux contraintes de chargement, l'algorithme de géneration de colonnes intégré dans les algorithmes BP est accéléré par un modèle d'apprentissage machine de sorte que le nombre de vérifications des contraintes de chargement est substantiellement réduit. Les résultats de calcul montrent que l'algorithme de génération de colonnes avec le modèle d'apprentissage machine prend beaucoup moins de temps de calcul que la version simple. L'un des algorithmes BP s'exécute de manière heuristique, mais il parvient à améliorer considérablement les solutions des instances existantes issues de la littérature. L'autre algorithme BP peut résoudre exactement des instances avec jusqu'à 50 clients et 103 éléments. Dans le deuxième article, un algorithme de BC est développé pour résoudre le 2L-CVRP. Sur la base de l'algorithme exact de pointe pour le 2L-CVRP, nous proposons une heuristique de séparation pour identifier l'inégalité d'ensembles non réalisables qui s'avère efficace pour le 2L-CVRP. Des expériences ont été menées pour tester l'algorithme BC. Il y a 6 instances ouvertes qui sont résolues de manière optimale par l'algorithme. Pour les autres instances ouvertes avec 50 clients ou moins, l'algorithme peut considérablement améliorer la meilleure borne inférieure de 1,0 % en moyenne. En outre, l'étude souligne également que le plus gros goulot d'étranglement dans le développement d'algorithmes exacts pour 2L-CVRP n'est plus l'algorithme de vérification des contraintes de chargement comme il y a dix ans. Au lieu de cela, pour fermer d'autres instances ouvertes, resserrer la relaxation linéaire du 2L-CVRP serait une direction plus valable, ce qui conduit naturellement au troisième article. Dans le troisième article, un algorithme BPC (branch-and-price-and-cut) est proposé pour résoudre le 2L-CVRP. Dans ce but, nous développons un algorithme d'étiquetage pour résoudre le sous-problème, y compris une règle de dominance exacte, une structure de données, et deux nouvelles bornes de complétion. L'algorithme BPC est capable de résoudre 14 instances à l'optimalité pour la première fois. Des analyses expérimentales ont également été menées pour montrer le coût du respect de la contrainte de LIFO, qu'on retrouve souvent dans la pratique.  ABSTRACT: In this dissertation, we address vehicle routing problems with two-dimensional loading constraints (2L-VRPs), in which vehicle routing and loading are optimized jointly to reach costeffective operations. As many other joint optimization problems, although such integration is profitable from the perspective of management, it brings more computational challenges than optimizing separately. Therefore, over the past decade, we have witnessed many efforts on algorithms for 2L-VRPs. The vast majority of the algorithms are meta-heuristics which are generally very fast to derive near-optimal solutions for the problems. By contrast, exact algorithms for 2L-VRPs have received much less attention. In this research, we are devoted to exact algorithms for 2L-VRPs, in particularly, the vehicle routing problem with time window constraints and two-dimensional loading constraints (2L-VRPTW), and the capacitated vehicle routing problem with two-dimensional loading constraints (2L-CVRP). The complexity brought by the loading constraints is enormous if the goal is to develop exact algorithms, because checking exactly the loading constraints is equivalent to solving the strip packing problem (SPP), a strongly NP-hard problem. Besides, the loading constraints have no continuous counterpart; instead, the loading constraints have to be fully relaxed and are added iteratively. Therefore, linear relaxation-based algorithms such as the branch-and-cut (BC) algorithm struggle to solve the problems due to the weak dual bounds. Lastly, the column generation technique is regarded as the key component of the exact algorithms for vehicle routing problems. Nevertheless, there exists no efficient algorithm to exactly solve the pricing problem, of which the complexity is significantly increased due to the loading constraints. This project is conducted to address these issues caused by the loading constraints and thus proposes efficient exact algorithms. In the first article, we propose two branch-and-price (BP) algorithms to solve the 2LVRPTW. To address the loading constraints, the column generation algorithm implemented in the BP algorithms is accelerated by a machine learning model so that the number of checking the loading constraints is substantially reduced. The computational results show that the column generation algorithm with the machine learning model takes much less CPU time than the plain version. One of the BP algorithm runs in a heuristic fashion, but it manages to significantly improve the solutions of the existing instances from the literature. The other BP algorithm can exactly solve instances with up to 50 customers and 103 items. In the second article, a branch-and-cut (BC) algorithm is developed to solve the 2L-CVRP. Based on the state-of-the-art exact algorithm for the 2L-CVRP, we propose a separation heuristic to identify infeasible set inequality which turns out be effective for the 2L-CVRP. Comprehensive computational studies were carried out to test the BC algorithm. There are 6 open instances optimally solved by the algorithm. For other open instances 50 customers or fewer, the algorithm can substantially improve the best lower bound by 1.0% on average. Furthermore, the study also points out that the largest bottleneck of developing exact algorithms for 2L-CVRP is no longer the algorithm for checking the loading constraints as it was a decade ago. Instead, to close more open instances, tightening the linear relaxation of the 2L-CVRP would be a more worthy direction, which naturally leads to the third article. In the third third, a branch-and-price-and-cut (BPC) algorithm is proposed to solve the 2LCVRP. To this end, we develop a labeling algorithm that includes several novel techniques to solve the pricing problem, such as an exact dominance rule, a data structure, and two new completion bounds. The BPC algorithm is able to solve 14 instances to optimality for the first time. Computational analyses were also conducted to show the cost of respecting the last-in-first-out constraint (LIFO), which often occurs in practice.


identifier: Trottier, G. (2021). Assessing the impacts of hydropower, dams and reservoirs on macroinvertebrate richness as a general portrait and within the Life Cycle Assessment (LCA) framework  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les écosystèmes aquatiques, via l'approvisionnement en eau douce pour la consommation humaine, l'irrigation des terres, le transport et la production d'énergie, sont une ressource essentielle à la survie des humains. L'intégrité et la fonction de ces écosystèmes dépendent de leur état général et de la biodiversité qu'on y retrouve. Malgré leur dépendance aux écosystèmes aquatiques, les humains impactent ces écosystèmes lorsqu'ils accumulent l'eau douce dans des réservoirs et l'utilisent pour la production d'énergie via l'hydroélectricité. En effet, ces usages de l'eau douce conduisent à la dégradation et la destruction de l'habitat, et à la modification du régime des flux hydrologiques, entre autres menaces. Depuis plusieurs années, la communauté scientifique a étudié les impacts de l'hydroélectricité, des barrages et des réservoirs sur la biodiversité aquatique. Toutes ces études, dans leur ensemble, ont permis de souligner une très grande fourchette d'impacts (tant en termes de direction [positive ou négative] que de magnitude) dépendante de multiples facteurs tels le groupe taxonomique étudié, le biome et le type de production hydroélectrique, par exemple. L'Analyse du Cycle de Vie (ACV), une méthodologie basée sur la science naturelle, est utilisée pour évaluer les impacts environnementaux potentiels d'un produit, d'un procédé ou d'un service, sur l'entièreté de son cycle de vie, c'est-à-dire de l'extraction des ressources à la fin de vie. Ainsi, pour générer une évaluation des impacts représentative de la réalité, les impact potentiels associés à chacune des phases du cycle de vie d'un produit (procédé ou service), incluant les impacts associés à la source d'énergie utilisée pour générer ces produits et services, doivent être pris en compte. Malgré le nombre croissant de preuves concernant les impacts de l'hydroélectricité, des barrages et des réservoirs sur la biodiversité aquatique, c'est seulement récemment que l'ACV a commencé à prendre en compte ces impacts dans ses bilans. Précédemment, ces impacts sur la biodiversité aquatique n'étaient pas évalués et donc, considérés comme nuls, ce qui est loin de la réalité. La prise en compte de ces impacts pourrait influencer la place qu'occupe l'hydroélectricité en termes d'impact environnementaux potentiels, lorsque comparée à d'autres sources d'énergie. Trois problématiques ont mené à la genèse de ce projet de recherche doctoral; 1) dans une synthèse de la littérature, l'hydroélectricité, les barrages et les réservoirs ont un impact sur la biodiversité aquatique, mais il n'y a pas de consensus au sujet de la direction et la magnitude de ces impacts, 2) les Facteurs de Caractérisation (FC) sur l'impact de l'hydroélectricité et de l'occupation des réservoirs sont exclusifs aux poissons et/ou basés sur des courbes théoriques plutôt que des données empiriques, et 3) les FCs utilisent la fraction d'espèces (résolution taxonomique à l'espèce) potentiellement disparues ou « Potentially Disappeared Fraction (PDF) of species », mais il n'y a toujours pas d'étude qui évalue l'influence de la résolution taxonomique sur les FCs. Ce projet est donc détaillé en trois objectifs : 1. Qualifier et quantifier les impacts de l'hydroélectricité, des barrages et des réservoirs sur la biodiversité aquatique, en utilisant la richesse des macroinvertébrés, via une robuste revue de la littérature et suivie d'une métaanalyse. 2. Développer des FCs régionalisés basés sur des données empiriques pour évaluer l'impact de la transformation du lit d'une rivière en réservoir et l'occupation subséquente du lit de la rivière par le réservoir, ci-après nommé impact de l'occupation des réservoirs, sur la richesse des macroinvertébrés, en ACV. 3. Évaluer l'influence de la résolution taxonomique sur les FCs précédemment développés. Pour le premier objectif, un cadre de travail méta-analytique a été utilisé pour identifier la direction et la magnitude globale des impacts de l'hydroélectricité sur la richesse des macroinvertébrés. Les résultats ont montré une grande variété de réponses des macroinvertébrés à l'hydroélectricité, plus spécifiquement des réponses significativement négatives et positives, ainsi que des réponses nonsignificativement différentes de zéro. La méta-analyse n'a pas démontré un effet global significatif de l'hydroélectricité sur la richesse des macroinvertébrés due à la grande variabilité de réponses observées. La détection d'un impact significatif a probablement été entravée par la grande quantité de bruit environnemental et méthodologique. C'est donc pourquoi l'influence de certaines sources d'hétérogénéité a été évaluée, par exemple le biome, le type d'impact, le design d'étude, ainsi que la saison et l'engin d'échantillonnage. Toutefois, aucune de ces sources d'hétérogénéité n'a démontré d'effet significatif, ce qui force à croire que d'autres variables environnementales, qui pourraient influencer la richesse des macroinvertébrés, n'ont pas été ciblées, par exemple des processus environnementaux de plus petite envergure, comme la granulométrie, la température, la perturbation par les vagues et la présence/absence de plantes aquatiques dans l'habitat. Pour le deuxième objectif, une approche de substitution espace-temps a été utilisée pour développer des FCs (en PDF·m2·an/m2·an) qui évaluent les impacts de l'occupation des réservoirs sur la richesse des macroinvertébrés à trois échelles spatiales; le réservoir, les écorégions et le pays (États-Unis), ainsi qu'un modèle empirique pouvant expliquer la variabilité observée dans les CFs des réservoirs, à l'aide de seulement quelques variables environnementales associées aux dits réservoirs. Au sein de cet objectif, il a été possible d'observer une perte statistiquement significative de 28% de la richesse des macroinvertébrés au sein des États-Unis suite à l'occupation du lit d'une rivière par un réservoir, un gradient longitudinal des CFs spécifiques aux écorégions, où les CFs sont plus élevés dans l'ouest que dans l'est, et enfin que l'état trophique, l'aire du réservoir et son élévation peuvent expliquer la variation observée dans les CFs spécifiques aux réservoirs, où un CF est plus élevé dans un réservoir large, oligotrophe et situé en haute élévation. Les résultats de cette étude ont démontré un support important pour la régionalisation des FCs, ont montré que les FCs étaient uniformes et constants à travers les échelles spatiales (c.-à-d., l'échelle du réservoir, de l'écorégion et du pays) et enfin, ont fourni un modèle empirique simple basé sur l'élévation, l'état trophique et l'aire du réservoir qui pourrait être utilisé par les développeurs et les praticiens ACV pour estimer un PDF quand des données de richesse de macroinvertébrés ne sont pas disponible. Pour le troisième objectif, qui est considéré comme un complément au second objectif, les FCs (en PDF·m2·an/m2·an) ont été calculés en utilisant des données de richesse de macroinvertébrés résolues en utilisant deux niveaux de résolutions taxonomiques (c.-à-d., basées sur le genre ou la famille) et incluant un critère d'inclusivité (c.-à-d., exclusif ou inclusif). Les résultats suggèrent que l'utilisation d'une résolution taxonomique au genre ou à la famille transmettent des messages similaires. Dans les deux cas, la régionalisation des FCs est statistiquement significative, la directionnalité et la magnitude des FCs spécifique aux écorégions sont très semblables, et les modèles empiriques sont aussi similaires en termes de sélection de modèle et capacité de prédiction. Basé sur ces résultats, il est possible de recommander l'utilisation d'une résolution taxonomique au genre-inclusive puisque celle-ci explique une quantité de variation additionnelle dans les FCs et est considérée comme plus représentative de la richesse des écosystèmes échantillonnés, en comparaison à une résolution taxonomique à la famille et/ou exclusive. Cet article est de nature plutôt fondamentale et méthodologique et a d'importantes implications pour les praticiens ACV puisqu'il pourrait permettre à certains groupes d'organismes, rarement identifiés à l'espèces, d'être éventuellement inclus dans de nouveaux FCs, ce qui augmenterait la représentativité et la robustesse des FCs pour l'Aire de Protection (AdP) de la qualité des écosystèmes en ACV. Cette thèse est très versatile et présente plusieurs attributs. Certains chapitres sont plutôt de nature fondamentale, alors que d'autres ont des résultats surtout pratiques. Le choix des macroinvertébrés comme organisme de recherche est considéré comme original, spécifiquement dans la communauté ACV. D'autant plus, cette thèse démontre des caractéristiques de nouveauté, plus spécialement dans le dernier article. À notre connaissance, l'évaluation de l'influence de la résolution taxonomique sur les FCs n'a jamais été fait auparavant. La multidisciplinarité de cette thèse lui confère un avantage majeur et ses implications sont d'autant plus pertinentes, profondes et complexes. Elle intègre des données biologiques dans un outil d'évaluation des impacts qui est dirigé pour la prise de décision dans un contexte de développement durable de produits, procédés et services. La contribution majeure de cette thèse est les FCs opérationnels qui permettent d'estimer l'impact de l'occupation par un réservoir sur la richesse des macroinvertébrés à trois échelles spatiales, c'est-à-dire les États-Unis, neuf écorégions et de nombreux réservoirs.  ABSTRACT: Freshwater ecosystems are an essential resource to the survival of humans, namely through drinking and irrigation water, transportation and energy generation. The integrity and the function of these ecosystems strongly depend on their general state and biodiversity. Despite their dependance to these ecosystems, humans store freshwater into reservoirs and use it to produce energy via hydropower. This freshwater use leads to habitat degradation and destruction, and flow regime modification, amongst other threats. The scientific community has been studying the impacts of hydropower, dams and reservoirs on freshwater biodiversity for years now and a synthesis of these outcomes highlighted a wide range of impacts (both in their direction [positive or negative impact] and magnitude) dependent of multiple factors, such as taxonomic group studied, biomes and hydropower types, for instance.Life Cycle Assessment (LCA) is a methodology based on natural science that is used to evaluate the potential environmental impacts of a product, process or service, from resource extraction to end-of-life. Thus, to get an assessment that is representative of reality, we need to be able to account for the potential impacts of each phase in a product (or process, or service) life cycle. This includes the impacts associated with the energy source used to create these goods or services. Despite the mounting evidences regarding the impacts of hydropower, dams and reservoirs on freshwater biodiversity, LCA has only just started to account for these impacts into their assessment. Before that, impacts to freshwater biodiversity were not assessed and thus considered null, which is far from the reality. Accounting for theses impacts could influence the overall ranking of hydropower in terms of potential environmental impacts, when compared to other energy sources. Three issues led to the genesis of this doctoral research project; 1) in the review of the literature, hydropower, dams and reservoirs impact freshwater biodiversity but there is no consensus witHregards to the direction (i.e., positive or negative) and the magnitude (i.e., delta) of these impacts, 2) current Characterization Factors (CF) for the impacts of hydropower and reservoir occupation are exclusive to fish and/or based on theoretical curves instead of empirical data, and 3) CFs use Potentially Disappeared Fraction (PDF) of species (species level of taxonomic resolution), but there is still no study assessing the influence of taxonomic resolution (genus or family) on CFs. Thus, this project consists in three specific objectives:1. Qualifying and quantifying the impacts of hydropower, dams and reservoirs on freshwater biodiversity, using macroinvertebrate richness, through a thorough review of the literature and followed by a meta-analysis. 2. Developing regionalized CFs, using empirical data, to assess the impact of a riverbed transformed and occupied by a reservoir, hereafter referred to as the impact of reservoir occupation, on macroinvertebrate biodiversity (i.e., richness), within LCA. 3. Evaluating the influence of taxonomic resolution on previously developed CFs. For the first objective, we used a meta-analytic framework to uncover the overall direction and magnitude of the impacts of hydropower on freshwater macroinvertebrate richness. Our results showed a wide range of responses of macroinvertebrates to hydropower, dams and reservoirs, namely significantly negative, significantly positive and non-significant responses. Because of that large variability of responses, the meta-analysis did not show a significant overall impact of hydropower, dams and reservoirs on macroinvertebrate richness. Lots of environmental and methodological noise might have hindered the detection of a significant impact, which is why we also investigated the influence of some sources of heterogeneity and accounted for variables such as biomes, impact type, study design, as well as sampling seasons and gears. None of these variables showed a significant effect, which lead us to think that we may not have targeted the appropriate variables that could influence the richness of macroinvertebrates and that these organisms may be impacted by much finer-scale processes, such as granulometry, temperature, wave disturbance and macrophytes. For the second objective, we used a space-for-time substitution approach and developed empirical CFs (in PDF·m2·yr/m2·yr), to assess the impacts of reservoir occupation on macroinvertebrate richness at three spatial scales; reservoirs, ecoregions and the United States, as well as built an empirical model to explain the variability observed in reservoir PDF with only a few reservoirrelated environmental variables. In this objective, we observed a statistically significant loss of macroinvertebrate richness of 28% following reservoir occupation in the United States, that CFs specific to ecoregions followed a longitudinal gradient of impact, from lowest in the east to highest west, and that elevation, trophic state and reservoir surface area could be used to explain the variation observed in reservoir-specific CFs, where high elevation, oligotrophic and large reservoirs had higher CF. Our results provided strong support for regionalized CFs, showed that CFs were uniform and consistent across scales (i.e., reservoir, ecoregion and country scales) and offered a simple empirical model based on reservoir elevation, trophic state and surface area to be used by LCA modelers and practitioners to estimate CF where macroinvertebrate richness data is not available. For the third objective, which is considered as a complement to the second objective, we calculated CFs (in PDF·m2·yr/m2·yr) using richness data resolved at two levels of taxonomic resolution (i.e., genus- and family-based) and including a criterion of inclusiveness (i.e., exclusive and inclusive). Results in this objective suggest that using either genus- or family-based taxonomic resolutions conveys analogous messages. In both cases, regionalization of CFs is significant, directionality and magnitude of ecoregion CFs are very similar and empirical models are also similar with regards to model selection and predictive abilities. Based on these outcomes, we recommend favoring genusinclusive taxonomic resolution because they explained additional variation in CF and were more representative of the richness observed in the sampled ecosystems, as opposed to family-based and/or exclusive categories of taxonomic resolutions. The nature of this article is more fundamental and methodological. It has important implications for Life Cycle Impact Assessment (LCIA) practitioners because it could potentially allow the inclusion of certain groups of organisms, which are rarely identified up to the species level of taxonomic resolution, to be included in new CFs, thus enhancing the representativity and robustness of CFs for the ecosystems quality Area of Protection (AoP) in LCA. This thesis is very versatile and has many attributes. Some chapters are more fundamental, others have practical outputs. The choice of macroinvertebrate as research taxa is considered original, especially in the LCA community. Moreover, this thesis also showcases a novelty characteristic, especially the last article. To our knowledge, evaluating the influence of taxonomic resolution on CFs had never been done in the past. A major advantage of this thesis is its multi-disciplinarity, which makes its outputs especially relevant, deep and complex. It integrated biological data into an impact assessment tool aimed for decision making in the context of environmental sustainability of products, processes and services. The main contribution of this thesis is operational CFs assessing the impact of reservoir occupation on macroinvertebrate richness at three spatial scales, namely the United States, nine ecoregions and numerous reservoirs.


identifier: Berrima, S. (2021). Convertisseurs temps-numérique distribués et à mesures multiples pour FPGA  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les convertisseurs temps-numérique (TDC), outils de mesure de la durée de l'intervalle temps entre deux événements, connaissent un intérêt croissant dans la communauté scientifique et dans l'industrie, et ce depuis des décennies. Ils sont largement utilisés dans des applications variées, que ce soit en imagerie médicale, dans les automobiles ou en instrumentation. Cependant, dans les applications contemporaines et futures, les microsystèmes électroniques incluent plusieurs puces électroniques, dont certaines dans un même boîtier pour réduire leur volume, l'énergie consommée et le coût. Ces microsystèmes miniaturisés peuvent contenir des centaines de milliers de nœuds portant des signaux entre les modules d'un système et un des défis qui leur est associé concerne le diagnostic d'éventuels mal-fonctionnements. Par conséquent, une faible complexité ainsi que le support de multiples points de mesures deviennent des critères tout aussi importants, pour un TDC, que ses performances temporelles telles que la résolution, la linéarité et la précision. Cette thèse vise à faciliter le prototypage, le déverminage et le test des microsystèmes actuels par l'élaboration de circuits de support in-situ, en particulier pour mesurer précisément les délais entre les transitions sur de multiples nœuds portant des signaux numériques. Nous proposons d'élaborer des architectures distribuées de convertisseurs temps-numérique, qui sont à la fois compacts et précis, tout en permettant la mesure d'intervalles de temps sur de nombreux points de mesure. Des solutions sont proposées grâce à des circuits intégrés programmables (Field Programmable Gate Array : FPGA) tirant avantage de l'évolution de leur technologie de fabrication, leur flexibilité et leur faible coût de développement. La première contribution de cette thèse a été inspirée d'une architecture de TDC implémentée sur un circuit dédié, où les ressources sont disposées en boucles pour être réutilisées, limitant ainsi leur complexité. Une preuve de concept d'une telle architecture implémentée sur un circuit programmable est présentée. L'architecture proposée réduit la complexité de la mise en œuvre en tirant avantage des mémoires distribuées implémentées dans des tables de stockage (Look-Up Tables) disponibles dans les FPGA de Xilinx. Une étude théorique comparative a démontré que la solution proposée est plus compacte que les TDC bouclés classiques.  ABSTRACT: Time-to-Digital Converters (TDC), tools for measuring the time between two events, have an increased interest by the scientific community and the industry for decades. They are widely used in various applications whether in medical imaging, automotive or instrumentation. However, in contemporary and future applications, microsystems include multiple microchips, some in a single package, to reduce bulk, power consumption and cost. These miniaturized microsystems can contain hundreds of thousands of signals between the chips and one of the challenges is diagnosing a malfunction. Therefore, a small form factor as well as the support of multiple measurements points become just as important criteria for a TDC as the temporal performances such as resolution, linearity and precision. This thesis aims to facilitate the prototyping, debugging and testing of current microsystems by the development of in-situ support circuits, in particular to precisely measure the delays between transitions on multiple digital signals. We propose to develop distributed architectures of time-to-digital converters, which are both compact and precise while supporting a large number of measurement points. Solutions are offered for programmable integrated circuits (FPGAs) taking advantage of their evolving manufacturing technology, flexibility and low development cost. The first contribution was inspired by a TDC architecture implemented on a dedicated circuit, where resources are arranged in loops for reuse, thus minimizing the form factor. A proof of concept of such an architecture implemented on a programmable circuit was presented. The proposed architecture takes advantage of the distributed memories implemented with simple Look-Up Tables available in Xilinx FPGAs to save resources. A comparative theoretical study has shown that the proposed solution is more compact than that of a conventional looped TDC. The second contribution is a proof of concept of a fine resolution delay adjustment tool in FPGA. This contribution came as a solution to improve the linearity of the TDC proposed in the first contribution. To the best of our knowledge, this tool is the first to offer fine automated delay control without modifying the design already placed and routed and without necessitating the dynamic reconfiguration or a dedicated software library.


identifier: Sylvestre, D. (2021). Conception de murs de soutènement préfabriqués et de panneaux de réparation en bétons fibrés à ultra-hautes performances  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les ouvrages en béton armé exposés aux intempéries tels que les murs de soutènement en zone urbaine, les parois verticales de canal ou les quais industriels font face à des problèmes de durabilité importants. Le contexte hivernal rigoureux du Canada et plus particulièrement du Québec, implique des détériorations liées aux cycles de gel-dégel causant une fissuration massique ou de surface. De plus, l'épandage massif de sels de déverglaçage sur les routes cause l'écaillage du béton et accélère la corrosion des aciers d'armature. Ces causes de détérioration nécessitent des réparations partielles ou un remplacement complet de la structure. Les travaux de réparation ou de remplacement de structures en zone urbaine exigent la fermeture complète ou partielle de voies de circulation, ce qui est très coûteux pour les propriétaires d'ouvrages. Ces travaux impliquent également une entrave à la circulation causant des impacts sociaux et économiques indirects. Il est donc pertinent de développer des solutions de réparation plus durables et qui peuvent être mises en place plus rapidement afin de limiter le nombre et la durée des interventions de réparation.  ABSTRACT: Weather-exposed reinforced concrete structures such as urban retaining walls, vertical canal walls or industrial wharves face significant sustainability issues. The rough winter context of Canada, and more particularly of Quebec, involves deteriorations related to freeze-thaw cycles causing mass or surface cracking. In addition, the massive application of de-icing salts on roads causes scaling of concrete and accelerates corrosion of steel rebars. These causes of deterioration require partial repairs or complete replacement of the structure. Repairs or replacements of structures in urban areas require complete or partial closure of traffic lanes, which is very expensive for the owners. These closures also cause indirect social and economic impacts. It is therefore relevant to develop repair solutions that are more sustainable and that can be implemented more quickly to limit the number and duration of repair interventions. In this context, the solution proposed in this research project is to develop prefabricated retaining walls and repair panels using ultrahigh-performance fiber-reinforced concrete (UHPC). On the one hand, prefabrication will speed up the repair or replacement of structures, in addition to limiting cracking due to restricted shrinkage. The use of UHPC significantly improves the durability of the structure, due to its increased durability properties. On the other hand, its mechanical properties significantly greater to those of conventional concrete will limit the amount of material used and thus reduce the weight for transportation.


identifier: Le Tennier, U. (2021). Couplage thermohydraulique-neutronique (CATHENA3-DONJON5) pour l'analyse de sûreté du SCWR Canadien  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le SCWR Canadien est un réacteur nucléaire de 4e génération qui utilise une modération à l'eau lourde et un refroidissement à l'eau légère supercritique. Des études récentes pro-posent des modifications de design du réacteur pour qu'il remplisse aux exigences de sûreté. Ces modifications doivent être étudiées dans le cadre de calculs qui couplent neutronique et thermohydraulique. L'étude réalisée utilise les codes déterministes DONJON (di˙usion neutronique cœur) et CATHENA (thermohydraulique cœur). DONJON utilise des bases de données constituées grâce à DRAGON (transport neutronique réseau, déterministe). Au re-gard des simulations entreprises, une revue complète du SCWR Canadien est faite. L'étude à l'échelle réseau permet de déterminer di˙érentes options de modélisation. Parmi celles-ci, le maillage XMAS-172 et un tracking de 9 angles azimutaux et 75 lignes par centimètre donnent des résultats satisfaisants. La présence de poison consommable au sein des crayons oblige à les décomposer en un nombre minimum de zones qui évoluent indépendamment. Au total, 12 demi-couronnes composent chaque crayon. Puis, les bases de données sont construites en per-turbant indépendamment des paramètres à partir d'une configuration de référence. Chaque paramètre perturbé constitue une dimension de la base de données et chaque dimension a été prouvée indépendante des autres tant que le cadre physique global est respecté. Au total, les sept paramètres échantillonnés sont : la température du caloporteur ascendant et descendant, leur densité respective, la température du combustible, le burnup et la concentration de bore dans le modérateur. Alors, l'étude neutronique cœur permet de préparer les calculs couplés. A été déterminé un schéma temporel nommé CANDU5 qui permet de suivre précisément l'évolution des paramètres thermodynamiques au cours d'un cycle sans impliquer des temps de calculs prohibitifs. En parallèle, une modélisation thermohydraulique du SCWR Canadien est récupérée de précédents travaux universitaires. Le couplage est mis en place grâce à python qui échange des structures de données qui peuvent être des tableaux pythons ou des fichiers d'entrée DONJON. Il a été déterminé qu'un calcul couplé, en comptant les calculs préparatifs, peut prendre plus de deux mois. L'ensemble des codes créés a été dûment commenté et est mis à disposition afin d'être réutilisé et servir d'autres études. Di˙érentes situations sont étudiées grâce au couplage. Les résultats obte-nus montrent que les modifications de design permettent des gains significatifs sur plusieurs critères de sûreté et principalement la température maximale à la surface la gaine (maxi-mum cladding surface temperature ou MCST).  ABSTRACT: Canadian SCWR is a 4th generation reactor, it uses heavy water as moderator and su-percritical light water as coolant. Recent studies propose some modifications of the origi-nal design to cope with safety. The new design must be evaluated thanks to a neutronic-thermalhydraulic coupling schemes. The neutronic code DONJON (deterministic full core di˙usion code) and thermalhydraulic code CATHENA are used. DONJON relies on nuclear databases created by DRAGON, a deterministic transport lattice code. First, a complete review of the latest Canadian SCWR design is made to give a reliable frame for the study. Lattice calculation show that XMAS-172 mesh and the combination of 9 angles with 75 lines per centimeter as a tracking are relevant options. To cope with the presence of gadolinium in the rods, a fuel integrated burnable absorber, the geometries split each rod in 12 independent semicircles. The databases are articulated around a reference mean calculation evaluated for a complete evolution. Then, a perturbative method is used to assess the impact of variations of parameters which are proved independent as long as the interpolation is consistent with the physics involved. Those parameters are referred as databases dimensions, they are : up and downward coolant density, up and downward coolant temperature, fuel temperature, boron concentration in moderator and burnup. Then, neutronic core analysis enabled to create a time scheme to model a working cycle for the reactor. It is light enough to avoid detrimental calculation time but still accurate enough in the follow-up of core parameters. Simultaneously, thermalhydraulic Canadian SCWR inputs are retrieved from academic work. Python operates the coupling between the two codes while exchanging arrays in DONJON structures. A whole coupled calculation can take up to two months to run. All the coupling inputs were properly commented in order to make it as easy as possible to be reused for addi-tional studies. The coupled simulation performed show that design modifications meet their purpose, especially on maximum cladding surface temperature (MCST). Use of additional databases for side and corner assemblies is confirmed important and, contrarily to what pre-vious studies results suggested, 3-batches reloading can meet MCST safety criteria. Overall, coupled analysis of the Canadian SCWR provides useful data to characterize the core and its physics when a global reactivity control device is used. Finally, this study provides a complementary point of view about the safety analysis of the Canadian SCWR. It highlights the limitation of the thermalhydraulic models. An enhanced thermalhydraulic simulation could provide clearer insights on several safety criteria.


identifier: Decouvelaere, R. (2021). Segmentation spatio-temporelle modulable des usagers de cartes à puce  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation des données provenant de systèmes de paiement par cartes à puce permet une compréhension approfondie du comportement des usagers d'un réseau de transport en commun. Que ce soit à des fins de planification ou de stratégie commerciale, il est utile de pouvoir regrouper les usagers en groupes de comportements similaires pour analyser ces comportements. Dans certains cas, le caractère temporel du comportement (heures, nombre et durées des trajets) peut être le plus intéressant, dans d'autres ce sera le caractère spatial (lignes et arrêts empruntés). Dans d'autres cas encore, on peut souhaiter prendre en compte simultanément les caractères spatial et temporel des comportements. À cet effet, dans ce mémoire, nous présentons un outil de segmentation spatio-temporelle qui permet de faire varier l'importance relative du temps et de l'espace dans le critère de regroupement. Le contrôle des poids du temps et de l'espace se fait à l'aide d'un ‘paramètre d'équilibre spatio-temporel' qui influe sur la valeur de la métrique utilisée pour comparer deux comportements. Si ce paramètre est proche de 0, la métrique accordera plus d'importance à la composante temporelle des comportements, et s'il est proche de 1, à la composante spatiale. Dans un premier temps, nous étudions l'influence de chaque paramètre de l'outil de segmentation sur les résultats, mesurée par des indicateurs de performance spatiaux, temporels ou spatio-temporels. Ceci permet d'optimiser certains de ces paramètres (taille d'échantillon, fenêtre temporelle de regroupement), ainsi que de mesurer l'influence du ‘paramètre d'équilibre spatio-temporel' sur les natures spatiale et temporelle de la segmentation. Nous observons une amélioration des indicateurs spatiaux lorsque ce paramètre augmente, et une amélioration des indicateurs temporels lorsqu'il diminue. Nous constatons par ailleurs que ces indicateurs ne varient de manière significative que pour un paramètre d'équilibre compris entre 0,2 et 0,8, et qu'ils suivent une tendance à peu près linéaire. Les natures spatiale et temporelle des résultats peuvent donc être contrôlées de manière assez précise à l'aide de ce paramètre. Dans un second temps, nous utilisons cet outil pour réaliser l'étude du comportement des usagers du Réseau de Transport de la Capitale (Québec, Canada), avec trois valeurs d'équilibre spatio-temporel. Chacune de ces trois études fournit des résultats très différents, mais toujours pertinents. La première présente les comportements temporels les plus répandus à Québec, sans tenir compte de l'espace, et démontre, par exemple, que les aînés et les étudiants ont des comportements temporels beaucoup plus divers que les adultes, et que les aînés ont des horaires moins tardifs que le reste de la population. La deuxième étude donne une importance à peu près égale au temps et à l'espace. Nous observons alors des couples de clusters regroupant des usagers habitant et travaillant à peu près dans la même zone, mais présentant des comportements temporels différents. Des trois études menées, c'est dans celle-ci que les clusters diffèrent le plus au niveau de la tranche d'âge de leurs usagers, ce qui démontre l'intérêt de considérer simultanément le temps et l'espace. La troisième étude considère uniquement la nature spatiale du comportement. Les usagers sont alors regroupés en zones géographiques assez précises. Si certaines différences temporelles sont encore observées, c'est que le comportement temporel des individus peut dépendre de la zone où ils habitent. Nous observons encore des couples de clusters, mais de nature différente : ceux-ci regroupent des usagers habitant au même endroit, mais se déplaçant dans deux zones différentes. Ainsi, ces trois études fournissent des résultats intéressants, utilisables dans des circonstances différentes. Cette méthode de segmentation spatio-temporelle modulée devrait permettre, dans le futur, une meilleure compréhension du comportement des usagers de cartes à puce, car elle offre, grâce à son paramètre d'équilibre spatio-temporel, plusieurs points de vue aussi divers que pertinents sur le comportement d'une population.  ABSTRACT: The analysis of smart card data offers an in-depth understanding of travel behavior of public transport users. An efficient way to analyze public transport users behavior is to group them into different clusters of similar behavior. However, this clustering process should take into account space and time, because both of these dimensions characterize daily trips. Depending on the expected outcome, we might wish to give more importance to space or to time, or we might wish to balance the two. In this master thesis, we present a spatiotemporal clustering tool that permits modulation regarding to the importance of space versus time. We control the importance of space and time with a ‘space-time balance parameter' which affects the metric used to compare the behavior of two transit users. For a parameter value close to 0, this metric will give more importance to time, and for a value close to 1, to space. We first test the influence of each parameter of our clustering tool on the results. Spatial, temporal, and spatio-temporal indicators are used to characterize these results. Based on these tests, we optimize some of the parameters (sample size, DTW window), and we measure the influence of the space-time balance parameter on the spatial and temporal nature of the results.  An improvement of temporal indicators when the balance parameter rises, as well as a deterioration of spatial indicators, can be observed. Moreover, these indicators seem to have a linear variation for a parameter value between 0.2 and 0.8. The spatial and temporal nature of the clustering results can therefore be controlled, with a satisfactory precision. In a second step, we use this clustering tool to study the traveling behavior of the Québec transit users, with three different values for the space-time balance parameter. Each of these three studies generates very different, but always interesting, results. The first one considers only the temporal natural of traveling behavior, without any regards for space. It shows, for instance, that the temporal behavior is more diverse for seniors and students, and that seniors tend to have an earlier schedule than the rest of the population. The second study gives approximately the same importance to space and time. We can observe some clusters pairs, where both clusters have the same origin and destination zones, but a different temporal behavior. Of the three studies, this is the one that creates clusters with the most socio-demographical differences, which proves the interest of using time and space simultaneously. The third study considers only the spatial nature of traveling behavior. The clusters created divide Quebec into specific living areas. We also observe some clusters pairs, but not of the same kind: these clusters regroup users living in the same area but working in two different zones. Therefore, these three studies have generated interesting results, and could all be used, but for different applications. This modulated clustering method should help, in the future, to better understand the behavior of transit users, because it offers, thanks to its space-time parameter, a variety of diverse and interesting perspectives.


identifier: Afshani Aghajari, A. (2021). Exploring Ferrite-Loaded SIW Topology and Demonstrating Full-Duplex Transceiver Architecture for 5G Wireless Systems and Beyond  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le transpondeur duplexe intégral (ou FD, pour « full-duplex transceiver ») est un candidat prometteur pour la 5G et les systèmes sans-fil futurs, car les avantages inhérents aux systèmes FD seraient en mesure d'adresser les demandes complexes des systèmes 5G. Il est connu que les systèmes FD peuvent doubler la largeur de bande, diminuer les latences du système et diminuer les congestions du réseau, ce qui contribue à améliorer la fiabilité et les performances. Le principe d'une communication FD dépend de la transmission et réception simultanée d'un signal, contrairement à une transmission semi-duplexe, basée sur un duplexeur dans le domaine fréquentiel (FDD pour « frequency division duplexing ») ou dans le domaine temporel (TDD pour « time domain division duplexing »). Cependant, le développement d'un transpondeur FD pose un problème fondamental, c'est-à-dire une interférence du transmetteur avec lui-même (SI pour « self-interference »), ce qui peut dégrader ou saturer l'opération du receveur. En conséquence, nous devons annuler le signal SI du receveur pour obtenir un design FD efficace. Dans cette thèse, nous développons et démontrons un component passif en technologie guide d'onde intégré (SIW pour « substrate integrated waveguide ») capable de fournir une isolation de plus de 70 dB entre les canaux du transmetteur et du receveur (T/R pour « transmitter and receiver channels »), sur une plage de 80 MHz, dans une bande de fréquence sous les 6 GHz, en utilisant une antenne à double polarisation. À notre connaissance, l'isolation obtenue ici est la meilleure rapportée en configuration passive dans le domaine analogue. Le composant proposé utilise deux modes orthogonaux et deux polarisations pour obtenir une isolation importante. La solution développée ici excède les performances des méthodologies proposées dans la littérature, et ce de plusieurs façons. Premièrement, le composant proposé, un circulateur à modes duals (DM pour « dual mode ») et une antenne à polarisation duale (DP, pour « dual polarized ») est passif, linéaire et faible bruit. Ceci est en contraste avec les solutions FD existantes, qui nécessitent des circuits actifs. De plus, la technologie utilisée est SIW, qui peut soutenir de plus grandes puissances en comparaison avec les circuits actifs ou les circuits RF intégrés. Deuxièmement, les solutions actuelles de FD impliquent le design additionnel de components RF, RF intégrés, circuits ou chaines de transmission, ce qui résulte en une plus grande complexité et une consommation plus importante de puissance. Cependant, la solution proposée ici possède la même complexité que les transpondeurs typiques, à ceci près que le circulateur monomode et l'antenne monomode sont remplacés par un circulateur à mode dual et une antenne à polarisation duale. La solution proposée ici est simple, faible coût et efficace en comparaison avec les autres solutions. Troisièmement, le composant proposé possède un mécanisme d'auto-ajustement qui peut être utilisé pour ajuster la fréquence d'opération du dispositif et la bande de fréquence, ce qui résulte en une isolation importante. Finalement, notre méthodologie permet une opération FD sans sacrifier la figure de mérite du transpondeur, au contraire des autres architectures FD. En d'autres termes, le transpondeur FD réalisé ici surclasse les autres transpondeurs rapportés dans la littérature.  ABSTRACT: Full-duplex (FD) transceiver is a promising candidate for 5G, and future wireless systems since the inherent advantages associated with FD systems would be able to exceptionally address the demanding requirements in 5G horizons and beyond. It has been well known that FD systems can double communication bandwidth and throughput, hugely lower system latency, and significantly minimize network congestion, which all contribute to enhanced system reliability and performance. The principle of an FD communication transceiver system relies on its simultaneous in-band transmission and reception of a signal compared to conventional half-duplex transceiver techniques based on either frequency division duplexing (FDD) or time division duplexing (TDD). However, the development of an FD transceiver poses a well-known significant fundamental challenge, in which a strong self-interference (SI) from the transmitter signal would disrupt and saturate the receiver operation of the same radio node. Therefore, to accomplish a successful FD system design, the strong SI signal must be canceled in the receiver channel. In this thesis, we propose, develop, and demonstrate a fully integrated passive substrate integrated waveguide (SIW) front-end component that is capable of providing more than 70 dB isolation between transmitter and receiver (T/R) channels over 80 MHz bandwidth in the sub-6 GHz frequency range, with the aid of a dual-polarized antenna. To our knowledge, this is the current world record isolation of T/R channels reported in the analog domain achieved in passive configuration. The proposed component exploits two orthogonal modes and polarizations to achieve high isolation. The proposed solution exceedingly outperforms other methodologies reported in the literature in several aspects. First, the proposed component that is essentially an integrated dual-mode (DM) circulator and dual-polarized (DP) antenna, is passive and delivers super linear and low noise performance. This is a massive contrast with reference to existing FD enabling solutions, which nearly all rely on active-circuit approaches. In addition, the proposed structure exploits a SIW topology, which can handle higher power signals in comparison to other active or RFICs-based solutions. Second, the current state-of-art solutions that achieve the FD operation usually involve the design of extra RF and RFIC components, circuits, and/or transmission chains, which all result in considerable added complexity and significant power consumption in the transceiver. However, our proposed solution has the same complexity as typical transceivers where single-mode circulator and single-mode polarized antenna are transformed into dual-mode and dual-polarized counterparts, respectively. Therefore, its relatively simple, low-loss, efficient, and low-cost structure is significantly advantageous to other solutions. Third, the proposed component has a self-consistent tuning mechanism that can be used to tune the operating frequency of the device and the frequency range that results in the highest possible isolation. Finally, unlike other FD enabling architectures, our proposed methodology enables the FD operation without much sacrifice in the transceiver's figure of merit. In other words, the realized FD transceiver, based on our proposed solution, can compete and outperform conventional transceivers.