identifier: Rioux-Fiset, L. (2016). Horaires mensuels en transport aérien avec équité  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une compagnie aérienne doit créer pour ses pilotes et agents de bord des horaires qui minimisent ses dépenses, mais qui respectent aussi toute la règlementation en vigueur dans le transport aérien ainsi que les conventions collectives des employés. Quelques compagnies considèrent aussi la satisfaction des employés. Dans le cas qui nous intéresse, la satisfaction est liée à l'équité des horaires élaborés en terme du nombre d'heures travaillées. Un logiciel de planification développé chez AD OPT, division spécialisée dans le transport aérien de la compagnie Kronos, crée des horaires mensuels avec cet objectif d'équité. Tout d'abord, un programme linéaire permet de définir pour chaque employé une cible de temps à travailler selon son historique de travail et l'ensemble des tâches à couvrir durant le mois. Ensuite, un programme en nombres entiers est résolu permettant de créer les horaires mensuels en tentant de respecter au mieux ces cibles de temps. Comme les horaires sont mensuels, ce logiciel doit être utilisé à chaque mois pour créer de nouveaux horaires. Il est donc entendu qu'un résultat doit être obtenu dans des délais assez brefs. Or, sur la machine du GERAD qui sera utilisée pour ce mémoire, le logiciel prend 32 jours en temps CPU avant de fournir une première solution entière et cette solution n'est pas nécessairement proche de l'optimalité. Ce temps est beaucoup plus court chez AD OPT, car ils utilisent des machines multi-processeurs. Il reste quand même trop long et doit être réduit. Ce projet de maîtrise a donc pour but de comprendre les raisons qui rendent le logiciel si lent à fournir des solutions entières et d'établir des stratégies qui permettront d'obtenir des résultats au moins aussi bons, mais en un laps de temps beaucoup plus court. Tout d'abord, nous modifions le rôle que prend l'une des ressources dans les règles de dominance lors de la génération de colonnes. Cette modification permet d'éliminer beaucoup plus de chemins partiels et d'accélérer la recherche de plus courts chemins dans les sous-problèmes. Ensuite, nous changeons la manière de pénaliser les jours de congé excédentaires donnés aux employés. Nous proposons une pénalisation individuelle pour chaque occurrence directement au niveau des sous-problèmes à la place de considérer le nombre total d'occurrences de l'ensemble des employés dans le problème maître et de pénaliser seulement s'il y a dépassement d'un certain seuil. Après, nous proposons une toute nouvelle stratégie de branchement. Pour les 20 premiers branchements, nous fixons uniquement des colonnes respectant certains critères de qualité. Les critères sont initialement très sévères pour ensuite s'adoucir à chaque fois que trop peu de colonnes sont fixées. Pour les branchements ultérieurs, nous alternons entre la fixation de tâches à des employés et la fixation de colonnes en se basant uniquement sur le flot. Finalement, nous améliorons le calcul du nombre minimal de jours de congé que chaque employé doit avoir dans son bloc. De cette façon, la pénalisation des jours de congé excédentaires est plus réaliste et on ne paie plus pour des congés inévitables. Tous ces changements ont permis à chaque fois de gagner en temps de résolution. Au final, on se retrouve maintenant avec une première solution entière dont la valeur a été réduite de 71.72% par rapport à celle de la solution de référence et qu'on a obtenue en 1.33 jours au lieu de 32.06, ce qui représente donc 95.85% moins de temps. Les améliorations mentionnées ont été implémentées chez AD OPT. Les responsables ont été satisfaits autant par le temps de résolution nettement diminué que par la qualité des nouvelles solutions. Des facteurs additionnels pour considérer les préférences des employés pourront éventuellement être ajoutés, option qui auparavant n'était pas envisageable étant donné la difficulté qu'on avait à traiter l'équité seulement.  ABSTRACT: Airlines have to provide schedules for pilots and flight attendants that minimize crew costs but also respect the regulations governing the airline industry and collective agreements. In addition, some airlines aim to consider the satisfaction of their employees. In our case, satisfaction is based on equity between employee schedules in terms of hours worked. AD OPT, a company that provides crew planning solutions for the airline industry, has developed software that creates monthly schedules with equity constraints. First, a linear program assigns a target for time worked to each employee, considering his/her work history and all the flights that need to be covered during the month. Then an integer program produces the monthly schedules, trying to respect these targets as well as possible. The software is used on a monthly basis to create new schedules. It is understood that results must be obtained in a relatively short time. However, the software takes 32 days in CPU time on a GERAD machine before providing an initial integer solution and this solution is not necessarily close to optimality. This time is much shorter at AD OPT that uses multi-thread computing. Nevertheless, it remains too long and must be reduced. This master's thesis examines why the software is so slow in providing integer solutions and describes new strategies to obtain equally good, if not better, solutions, in a much shorter time. First, we modify the role played by one of the resources in the dominance rules when generating new columns. This change eliminates many more partial paths and accelerates the search for a shortest path from the source node to the sink node in each subproblem. Secondly, we change the way that surplus days off, given to employees, are penalized. Instead of considering all occurrences across the entire body of staff and only penalizing if a threshold is exceeded, we propose a penalty for each occurrence directly in the subproblems. Third, we propose a new branching strategy. For the first 20 branching nodes, we fix columns that meet certain quality criteria. The criteria are initially very severe then soften whenever too few columns are fixed. For subsequent branching nodes, we alternate between fixing tasks to employees and fixing columns based only on flows in subproblems. Finally, we improve the calculation of the minimum number of days off that each employee may have in his/her schedule. In this way, the penalization of surplus days off is more realistic and we no longer pay for unavoidable days off. All these changes helped to decrease the amount of time needed by the software to provide solutions. We now have a first integer solution whose value is reduced by 71.72% and which was obtained in 1.33 days instead of 32.06. This represents a 95.85% reduction in time. The mentioned improvements have been implemented at AD OPT. The software's managers were satisfied both by the decreased computation time and the quality of the new solutions. Additional constraints, considering employees' preferences, may eventually be added, an option that was previously not possible given the difficulty of dealing with equity.


identifier: Fesharaki, F. (2016). Integrated Guided-Wave Structures and Techniques for Millimeter-Wave and Terahertz Electronics and Photonics  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Pour faire face à la demande croissante en bande passante, les prochaines générations des systèmes sans fil et filaires devront exploiter la large gamme spectrale 100 GHz-1 Térahertz (THz) et au-delà. Cependant, les éléments constitutifs intégrés qui définiront les architectures et les normes des systèmes à très haute fréquence ne sont pas claires et généralement pas du tout disponible. Cette thèse contribue à ce nouveau défi en explorant de nouveaux concepts et techniques de transmission d'onde pour le développement des circuits intégrés et les systèmes électroniques et photoniques en ondes millimétriques (MMW) et THz. Les lignes de transmission sont les éléments constitutifs de tous les circuits électroniques et photoniques intégrés. En dépit d'une expansion substantielle des applications électroniques et photoniques vers les THz, la structure de base des lignes de transmission standard, mis au point dans les années 1950, n'a pas évolué. L'un des problèmes fondamentaux dans le développement de systèmes électroniques et photoniques intégré THz est les limites intrinsèques de ces lignes de transmission classiques. Les dispositifs à ondes progressives électro-optiques et optoélectroniques ont été conçus sur la base de ces lignes de transmission, et sont donc limités en débit en raison de la limitation des performances au spectre RF. Plusieurs tentatives ont été faites pour améliorer ces lignes de transmission. Cependant, la configuration structurelle inhérente du métal est toujours l'obstacle dominant qui impose un mode de fonctionnement particulier qui est sujette à l'atténuation et la dispersion à une fréquence plus élevée. Pour faire face aux problèmes mentionnés et pour répondre à ces défis technologiques contraignants, trois orientations sont traités dans cette thèse: électro-optique, micro-ondes et optique. Pour la première orientation, la ligne SIW est utilisée en tant que structure à onde progressive alternative d'un Modulateur EO sur polymère. Dans ce cas, la fréquence porteuse est déterminée par la fréquence de fonctionnement de la ligne SIW. Dans ce travail, la conception est faite pour un modulateur EO atteignant plus de 22% de la bande passante optique avec la fréquence centrale de 160 GHz.  ABSTRACT: In order to keep up with rising global demand for bandwidth, future generations of both wireless and wireline technology will need to exploit the spectral range over 100 GHz - 1 terahertz (THz) and beyond. However, the integrated building blocks that will well define such an ultra-high frequency system technology architecture and protocol are unclear and mostly unavailable. This dissertation set the stage in responding to this emerging challenge by exploring new guided wave structures, concepts and techniques for the development of millimeter-wave (mmW) and THz electronic and photonic integrated circuits and systems. Radiofrequency integrated circuits are the backbone of all modern computing and communication electronic and photonic networks and systems. Likewise, transmission lines are the most fundamental building blocks of all the electronic and photonics integrated circuits. In spite of a substantial expansion of electronic and photonic applications towards THz, the basic structure of traditional transmission lines, developed in the 1950s, has not been modified or evolved. One of the fundamental bottlenecks in the development of THz integrated electronic and photonic systems has been the inherent limitations of those conventional transmission lines. The traveling-wave electro-optic and opto-electronic devices have been made based on those transmission lines, and are therefore limited in speed because of the RF spectrum performance limitations. Several attempts have been made to improve those transmission lines. However, the inherent structural configuration is still the dominant obstacle that dictates a particular operating mode that is prone to attenuation and dispersion at higher frequencies. To tackle those mentioned problems and to respond to those constraining technological challenges, three research orientations are considered in this PhD thesis: electro-optic, microwave, and optics. For the first orientation, SIW (substrate integrated waveguide) is used as an alternative traveling-wave structure of a polymer EO modulator. In this case, the carrier frequency is determined by the SIW frequency of operation. The design in this work is completed for an EO modulator with the center frequency of 160 GHz achieving more than 22% optical bandwidth.


identifier: Blais, B. (2016). Développement d'un modèle Euler-Lagrange robuste pour la simulation des écoulements solide-liquide dans les opérations de mélange  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les opérations de mélange solide-liquide en cuves agitées jouent un rôle clef dans de nombreux procédés, que ce soit dans la fabrication de produits alimentaires, pharmaceutiques, cosmétiques, ou pour promouvoir l'homogénéité de suspensions, ce qui est particulièrement vital au bon fonctionnement des réacteurs chimiques employant un catalyseur solide. Malgré leur importance indéniable pour l'industrie chimique et les efforts considérables qui ont été déployés afin de mieux les comprendre, la conception et l'optimisation de ces opérations demeurent un grand défi. En effet, la quasi-totalité de la littérature se concentre sur le régime d'opération pleinement turbulent, malgré le fait que de nombreux procédés industriels soient opérés en régimes laminaire ou transitoire. Malheureusement, la littérature sur ces derniers régimes d'opération est quasi-inexistante. De plus, bien que le régime d'opération turbulent ait fait l'objet d'un grand nombre d'études, celles-ci se sont principalement concentrées sur la prédiction, à l'aide de corrélations empiriques ou semi-empiriques, de la vitesse nécessaire pour la suspension complète des particules (Njs), c'est-à dire la vitesse d'agitation nécessaire pour suspendre toutes les particules hors du fond de la cuve. Cependant, de nombreux procédés pourraient être opérés dans des conditions différentes telles que la suspension partielle ou complètement homogène. Le premier cas permettrait d'économiser de l'énergie et d'éviter des contraintes trop fortes sur l'agitateur, tandis que le second assurerait une cinétique de réaction et une qualité de produit nettement mieux contrôlée. Dans ces deux situations, la connaissance de Njs n'est que d'une aide limitée. Pour mieux opérer et concevoir ces unités, il est nécessaire de pouvoir prédire la distribution et la dispersion des particules solides ainsi que les patrons d'écoulement au sein de la cuve. L'étude des systèmes de mélange solide-liquide représente une difficulté importante, car l'opacité des suspensions solide-liquide limite fortement la mesure de variables locales telles que les profils de concentration. Ainsi, la majeure partie des travaux expérimentaux n'ont mesuré que des paramètres globaux, tels que le couple sur l'agitateur, la fraction de particules suspendues ou Njs. La mécanique des fluides numérique (CFD), complémentaire à l'expérience, permet quant à elle d'investiguer à la fois les paramètres globaux, mais aussi ce qui se passe localement en tout point de la cuve. Cependant, la modélisation d'écoulements multiphasiques renferme de nombreux défis compte tenu de l'interaction multiéchelle (de temps et d'espace) entre les phases. Les nombreux modèles capables de modéliser ces types d'écoulements sont décrits dans cette thèse, dans l'objectif de faire ressortir leurs forces ainsi que leurs limites. Parmi ceux-ci, il est montré que seuls les modèles à deux fluides, où la phase solide est modélisée comme un second fluide, ont été utilisés exhaustivement pour aborder le mélange solide-liquide. Cependant, ces modèles souffrent d'une incapacité à bien décrire les régimes rapides et denses d'écoulement granulaire (comportement de Burnett et de super Burnett) ainsi que de plusieurs difficultés à saturer la concentration de solide lorsque les particules sont à leur fraction maximale d'empilement. La CFD-DEM, une famille de modèles relativement récents qui combinent la CFD pour la phase fluide et la méthode des éléments discrets (DEM) pour les particules solides permet quant à elle de décrire la dynamique de la phase granulaire avec un grand degré de précision et a largement fait ses preuves dans l'étude de milieux solide-gaz. Cependant, cette méthode n'a jamais été employée rigoureusement pour l'étude d'écoulement solide-liquide dans des géométries complexes telles que des mélangeurs. Pour que ceci soit possible, de nombreux développements mathématiques sont nécessaires afin de s'assurer que le schéma soit stable, qu'il converge (en temps et en espace) et qu'il soit capable de simuler des géométries complexes en mouvement tels que les agitateurs. La conception d'un tel modèle et son application à l'étude de la dynamique du mélange solide-liquide et de la mise en suspension de particules solides est l'objectif principal de cette thèse. En premier lieu, un schéma volume fini de type Pressure Implicit with Splitting of Operator (PISO) pour résoudre les équations de Navier-Stokes moyennées volumiquement (VANS), nommé PISO-VANS, est établi. La résolution de ces équations est une partie essentielle d'un modèle CFD-DEM applicable à des écoulements concentrés. Afin de vérifier la cohérence du schéma PISO-VANS pour la résolution des équations VANS, une méthodologie basée sur la méthode des solutions manufacturées est développée afin d'établir des cas tests analytiques permettant d'effectuer des tests de convergence numérique. Ces tests, les premiers de ce genre, démontrent que le schéma proposé converge à la précision désirée, c'est-à-dire qu'il est bien de second ordre en temps et en espace. Ensuite, cette méthodologie est employée pour vérifier un nouveau schéma permettant de résoudre les équations VANS avec la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM). Ce schéma est basé sur un nouvel opérateur de collision. Il est démontré, à l'aide d'une analyse de Chapmann-Enskogg, que la formulation proposée permet de retrouver les équations VANS. Cet opérateur est le premier permettant de résoudre les équations VANS avec la LBM lorsque la fraction volumique n'est pas constante dans l'espace, une capacité essentielle pour l'étude d'écoulements polyphasiques ou dans des milieux poreux. Dans la troisième partie de ce travail, une nouvelle méthode de condition immergée semiimplicite permettant de modéliser des corps rigides en rotation est développée. Cette méthode est conçue pour bien s'harmoniser avec le schéma PISO et pour être fonctionnelle sur un maillage non structuré polyédrique tout en demeurant parallèle. Cette méthode est tout d'abord vérifiée sur des cas tests académiques tels que l'allée de von Karman derrière un cylindre, ainsi qu'un écoulement de Taylor-Couette entre deux cylindres. Il est montré que le schéma peut bien reproduire les vortex de von Karman, mais qu'il dégrade l'ordre du schéma volume fini de 2 à 1.33 dans le cas de l'écoulement de Taylor-Couette. Le schéma est finalement validé expérimentalement et comparé à d'autres méthodes numériques permettant de simuler des géométries en rotation. Un accord quasi parfait est obtenu. La quatrième partie de ce travail résulte directement de la combinaison du schéma volume fini PISO-VANS avec la méthode de conditions immergées afin de simuler le mélange solideliquide, du démarrage au régime permanent, à l'aide de la CFD-DEM. Différentes stratégies de couplage entre les phases sont testées et il est montré que, contrairement au cas gaz-solide, un couplage explicite est préférable, car il atténue les erreurs de moyenne volumique. Il est aussi démontré qu'un modèle de rhéologie est nécessaire afin de considérer la dissipation à l'échelle inférieure à une taille de maille. Le modèle complet est ensuite validé qualitativement, en comparant des profiles particuliers d'écoulements obtenus au début de la suspension des particules, et quantitativement, à travers la comparaison avec l'expérience de la fraction de particules suspendues mesurée par la technique de pression de jauge (PGT). À nouveau, un excellent accord est obtenu entre les données expérimentales et les résultats du modèle. Dans la cinquième partie de ce travail, le modèle CFD-DEM est modifié afin de permettre l'étude des écoulements turbulents à l'aide de la simulation aux grandes échelles turbulentes (LES). Suite à une validation avec l'expérience, deux nouvelles techniques de mesure de la fraction de particules suspendues, l'analyse lagrangienne de fraction suspendue (LSFA) et l'analyse de fraction de décorrélation (DFA), sont introduites. Les résultats issus de ces méthodes sont ensuite comparés à ceux obtenus numériquement et expérimentalement par la méthode de pression de jauge. Il est montré que ces deux méthodes sont pratiquement aussi précises que la PGT, mais qu'elles sont aussi plus versatiles, car elles peuvent être appliquées à toutes les géométries et ne nécessitent pas de simulations sur des larges plages de vitesse d'agitation. Dans la sixième partie de ce travail, le modèle CFD-DEM est utilisé pour étudier en détail le mélange solide-liquide en régime laminaire et transitoire. Notamment, l'impact du dégagement de l'agitateur et de la présence de chicanes sur la fraction de particules suspendues et la dynamique du mélange solide-liquide est établi. Il est montré que de réduire le dégagement au fond de l'agitateur permet de prévenir l'apparition de zone mortes à haute vitesse. De surcroît, une étude de sensibilité sur les paramètres de la DEM est effectuée et montre que seule la friction entre les particules joue un rôle significatif sur la dynamique de la phase solide. Finalement, une brève discussion permet de résumer les résultats obtenus et de donner de nombreuses pistes de travaux pouvant faire suite à ce qui fut développé dans le cadre de cette thèse.  ABSTRACT: Despite the fact that solid-liquid mixing plays a key role in the production of a wide variety of consumer goods such as pastes, paints, cosmetics, propellants, pharmaceuticals, and food products as well as in the operation of chemical reactors with solid catalysts, it still faces considerable challenges. Most research on solid-liquid mixing has focused on the fully turbulent regime of operation even though many industrial operations take place in the laminar or transitional regime. In particular, it is unclear how the rheology of a suspension, particle interactions, and a complex rotating geometry impact flow patterns and particles distribution and dispersion in these regimes. Although more is known about the turbulent regime of operation, most research on this type of regime has been devoted to the prediction of the just-suspended speed (Njs ), which is the impeller speed at which all particles are suspended in the liquid phase. However, numerous mixing operations require a different state of operation. For these processes, operating at Njs can lead to energy overconsumption, product fouling, or inhomogeneous reactions due to the presence of dead zones. Consequently, more information on the velocity patterns and distribution of particles in agitated vessels is required. To shed light on issues related to solid-liquid mixing, numerical and experimental investigations are essential. However, due to the opacity of most viscous suspensions, local measurements of the flow field using optical techniques are highly problematic. Consequently, almost all experimental measurements have been limited to determining the global characteristics of the mixing flow such as the fraction of suspended particles or the torque acting on the impeller. However, CFD simulations of these systems do not suffer from these drawbacks. A variety of models have been developed to simulate solid-liquid flows. These include the classic Eulerian-Eulerian (or two-fluid) model and the combination of the Discrete Element Method (DEM) for the particles and CFD method for the liquid phase (CFD-DEM). Although it possesses enormous potential due to its formulation, notably as regards to its natural capacity to reproduce the maximal packing fraction of solid particles, the ability of the CFD-DEM approach to accurately model solidliquid flows in complex geometries has not yet been proved. In addition, the method has not been validated experimentally for solid-liquid flows. However, this type of model could theoretically allow for a quantitative assessment of flow patterns, particle distributions, and the fraction of suspended particles. In this thesis, a CFD-DEM model is developed to model the suspension of particles in a stirred tank, from start-up to steady state and in all regimes of operation. The model is used to improve our understanding of solid-liquid mixing, notably the issue of predicting the fraction of suspended particles. It is shown to be a quantitative tool that can predict the state and dynamics of a suspension. A methodology is designed to verify a Pressure Implicit with Splitting of Operator (PISO) scheme for the volume-averaged Navier-Stokes (VANS) equations (Article 1). We recall that these equations are essential for the unresolved CFD-DEM method. The methodology, which is based on the method of manufactured solutions, is used to design analytical solutions for the VANS equations for which order of convergence analyses are carried out. The validity of the semi-implicit scheme is established by demonstrating the second-order convergence of the scheme for various complex 2D cases. A novel collision operator for the Lattice Boltzmann Method (LBM) is designed to solve the VANS equations (Article 2). It is demonstrated analytically that this operator solves the VANS equations with second-order accuracy. Numerical test cases designed using the process established in Article 1 were used to confirm these results. The model is able to solve cases where there are large void fraction gradients in the domain. To our knowledge, is the first time that this has been achieved. A semi-implicit immersed boundary method (PISO-IB) is developed to study rotating rigid bodies such as impellers (Article 3). The method is verified using academic test cases, namely the Taylor-Couette flow and the Von Karman vortex street behind a static and a moving cylinder. The scheme accurately reproduces vortex shedding, but degrades the order of convergence of the overall finite volume scheme from 2 to 1.33 in the Taylor-Couette case. The PISO-IB method is validated for single phase mixing, and good agreement is obtained between this method and experimental torque measurements. The methods developed in the first and third sections are then combined to formulate a CFD-DEM scheme for solid-liquid mixing (Article 4). The formulation of the model is analyzed, and two coupling approaches (implicit and explicit) are investigated. Explicit coupling leads to a more stable scheme for viscous fluids. However, due to unresolved hydrodynamic dissipation at the particle scale, a rheology model be introduced into the model. The complete model is validated qualitatively using photographs of the peculiar particle dynamics observed experimentally as well as quantitatively by comparing the fraction of suspended particles measured numerically with experimental data obtained using the pressure gauge technique. The validated CFD-DEM model is extended to the turbulent regime using a large-eddy simulation (LES) approach (Article 5). The model accurately reproduces the fraction of suspended particles measured experimentally. Two new techniques to calculate the fraction of suspended particles, the Lagrangian suspended fraction analysis (LSFA) and the decorrelated fraction analysis (DFA), are developed. These two techniques can be used to calculate the fraction of suspended particles for any vessel bottom, without requiring the simulation of numerous impeller velocities, something that cannot be accomplished using the pressure gauge technique. The entire set of tools described in the previous article is used to study the suspension of solid particles in the laminar and transitional regimes in detail (Articles 6). A parametric study of the model parameters is performed. It shows that only the coefficient of friction plays a role in the solid dynamics. Alternative geometries are also studied by varying the impeller clearance and by adding or removing baffles. These results show that reducing the clearance results in a better distribution of particles and prevents the creation of a dead zone below the impeller. This thesis finishes with a short discussion of the overall capabilities of the model and future research that could arise from it.


identifier: Bostani, A. (2016). Design and Implementation of Apodized and Unapodized Frequency Converters in Bulk Aperiodically Poled Nonlinear Materials  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse porte sur l'étude, la conception et la fabrication de convertisseurs de fréquences à large bande pour la génération efficace de seconde harmonique (SHG) et de somme de fréquences (SFG) sur des dispositifs non-linéaires en quasi-accord de phase (QPM). Les dispositifs de QPM comprennent des réseaux de domaines inversés, qui fournissent un accord de phase non critique pour la conversion de fréquences dans les matériaux non-linéaires. Pour créer des cristaux à QPM, le coefficient non-linéaire de second ordre est périodiquement inversé à l'aide d'une méthode de polarisation périodique. Avec d'excellentes propriétés telle sa non-linéarité, le cristal de niobate de lithium (LN), utilisé pour les simulations et la fabrication de ces travaux de recherche, est un des meilleurs candidats pour les dispositifs à QPM. Les matériaux périodiquement polarisés uniformément tel le niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN), possèdent une largeur de bande d'acceptation spectrale et thermique étroite. La largeur de bande étroite limite la conversion de fréquences pour une longueur d'onde spécifique d'un laser pompe et nécessite l'utilisation d'un contrôleur de température pour maximiser l'efficacité de conversion. En addition, les conversions de fréquences pour plusieurs longueurs d'onde simultanément ainsi que le réglage de la longueur d'onde de pompe sans réglage de température sont restreints par les PPLN uniformes. Les réseaux à pas variable (chirped) et step-chirped dans le LN ont été récemment proposés pour pallier la limitation de la bande passante des doubleurs de fréquences basés sur la SHG. Les réseaux chirped peuvent être conçus pour obtenir une largeur de bande souhaitée et enlever la nécessité de l'installation du régulateur de température dans le montage expérimental. Cependant, ces dispositifs souffrent d'ondulations et de fluctuations dans leurs réponses spectrales. L'application d'apodisation sur les réseaux chirped est proposée pour diminuer les ondulations dans la réponse de ces dispositifs, dans lesquels les changements de coefficient non linéaire effectif en fonction de la longueur converge vers zéro au niveau des rebords du réseau. Dans cette thèse, les méthodes d'ingénieries non linéaires effectives appropriées pour supprimer des ondulations des convertisseurs à large bande sont explorées. La mise en oeuvre d'une fonction d'apodisation souhaitée sur les convertisseurs à large bande basés sur la variation du rapport cyclique est examinée en profondeur. La dépendance de la phase du champ électrique sur la génération de seconde harmonique à l'endroit de la région polarisée dans un réseau apériodique est explorée théoriquement.  ABSTRACT: This thesis focuses on research study, design and fabrication of broadband frequency converters based on second harmonic generation (SHG) and sum frequency generation (SFG) in nonlinear quasi-phase-matched (QPM) devices. QPM devices based on domain-inverted gratings provide noncritical phase matching for frequency conversion in nonlinear media. For creating QPM crystals, the second-order nonlinear coefficient is periodically reversed by periodic poling method. Lithium niobate (LN) crystal with excellent properties such as high nonlinearity is one of the best candidates for QPM devices, which has been used for the simulations and fabrication in this research work. Conventional uniform periodically poled materials such as periodically poled lithium niobate (PPLN) crystals possess a narrow spectral and thermal acceptance bandwidth. The narrow bandwidth limits the frequency conversion for a specified pump wavelength and necessitates the use of a temperature controller to maximize the efficiency. In addition, uniform gratings restrict simultaneous frequency conversion for several wavelengths and tunability of the pump wavelength without temperature tuning. Therefore, chirped and step-chirped gratings in LN were recently proposed to overcome the bandwidth limitation of frequency doublers based on SHG. Chirped gratings can be engineered to obtain the desired bandwidth and remove the necessity of controlling the temperature in the experimental set-up. However, these devices suffer from ripples and fluctuations in their spectral responses. Applying apodization in chirped grating is suggested to diminish the ripples in the response of these devices, in which the effective nonlinear coefficient changes, as a function of length, smoothly to zero at the edges of the grating. In this dissertation, methods for engineering proper effective nonlinearity are explored to suppress ripples of broadband converters. Implementation of a desired apodization function on broadband converters based on duty ratio variation is deeply examined. The dependence of SH electrical field phase on the place of poled region in an apreriodic grating is explored theoretically. It has been demonstrated for the first time that the spectral conversion bandwidth of apodized chirped frequency doublers depends on the place of the poled region within the period of gratings. The proper design to minimize the ripples and achieve a desired nonlinearity function for an apodized chirped grating has been proposed which improves the tolerance to fabrication errors.


identifier: Olala, S. O. (2016). Streamwise Fluidelastic Instability of Tube Arrays Subjected to Two-Phase Flow  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les vibrations induites par les écoulements est une préoccupation majeure pour les concepteurs et les opérateurs des échangeurs de chaleur. Parmi les nombreux mécanismes d'excitation, l'instabilité fluide-élastique a été identifiée comme la source la plus catastrophique de défaillance de tube à court terme dans les faisceaux. Par conséquent, un certain nombre de théories ont été mis au point pour sa prédiction. Cependant, toutes ces théories ont été développées principalement pour l'écoulement de monophasique, même si les faisceaux de tubes dans les générateurs de vapeur fonctionnent principalement en écoulement diphasique. L'objectif principal de ce projet de recherche est donc d'étendre les modèles théoriques de l'instabilité fluide-élastique aux écoulements diphasique, en particulier, par l'instabilité fluideélastique dans le sens de l'écoulement avec de multiples tubes flexibles. Le modèle quasi-statique a été étudié dans le cadre du projet de recherche en cours. L'étude a été réalisée pour un faisceau de tube triangulaire tourné. Premièrement, des tests expérimentaux ont été réalisés afin de déterminer les forces quasistatiques sur une grappe de tubes soumis à un écoulement diphasique transverse eau-air. Les tests ont été effectués pour une série de taux de vide et un nombre de Reynolds (en fonction de la vitesse inter tubé), 4 Re  7.210 . Les forces obtenues et leurs dérivés spatiales en fonction de la position du tube central de la grappe ont ensuite été utilisées pour effectuer une analyse quasistatique de l'instabilité fluides-élastiques. Les vitesses prévues d'instabilité ont été jugés en assez bon accord avec les tests de stabilité dynamique. La stabilité du faisceau de tubes a été trouvée en fonction du nombre et de l'emplacement des tubes flexibles. Entant donné que l'effet du déphasage a été ignoré à ce stade, l'analyse a confirmé la prédominance du mécanisme contrôlé par la rigidité pour provoquer une instabilité fluide-élastique dans le sens de l'écoulement. L'effet de désaccorder dans les fréquences naturelles des tubes sur le seuil d'instabilité a aussi été exploré. On a constaté que cet effet a en général un effet stabilisant. Cependant, pour un grand écart initial dans une population de fréquences, il a été constaté qu'un plus petit échantillon tiré de la population plus large puisse parfois avoir un écart inférieur ou supérieur résultant d'une grande dispersion des valeurs possibles de la constante de stabilité.  ABSTRACT: Flow induced vibration is a major concern to designers and operators of tube-and-shell heat exchangers. Among the several excitation mechanisms, fluidelastic instability has been identified to be the most catastrophic source of tube failure in the short term in tube bundles. Consequently, a number of theories have been developed for its prediction. However, all these theories were developed primarily for single phase flow even though tube arrays in steam generators operate mostly in two-phase flow. The main goal of this research project is therefore, to extend the theoretical models for fluidelastic instability to two-phase flow, particularly, streamwise fluidelastic instability of multiple flexible tube arrays in two-phase flow. The quasi-steady model has been studied in the scope of the current research project. The study was conducted for a rotated triangular array of pitch-to-diameter ratio , P D 1.5. Firstly, experimental tests were performed to determine the quasi-steady forces on a kernel of tubes subjected to two-phase air-water cross-flow. The tests were done for a series of void fractions and a Reynolds number (based on the pitch velocity), 4 Re  7.210 . The forces obtained and their derivatives with respect to the static streamwise displacement of the central tube in the cluster were then used to perform a quasi-steady fluidelastic instability analysis. The predicted instability velocities were found to be in fairly good agreement with dynamic stability tests. Array stability was found to depend on the number and location of the flexible tubes. Since the effect of the time delay was ignored at this stage, the analysis confirmed the predominance of the stiffness-controlled mechanism in causing streamwise fluidelastic instability. The effect of frequency detuning on the streamwise fluidelastic instability threshold was also explored. It was found that frequency detuning has, in general, a stabilizing effect. However, for a large initial variance in a population of frequencies, a smaller sample drawn from the larger population was found to sometimes have lower or higher variance resulting in a large scatter in possible values of the stability constant. Secondly, the unsteady fluid forces on the same kernel of tubes were measured when the central tube was oscillated in the flow direction.


identifier: Bruel, C. (2016). Thermodynamique et stabilité des films de platine pour l'hydrogénation de CO2 dans un réacteur à oxyde solide  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le niveau d'émission de CO2 dépasse présentement la capacité d'absorption des écosystèmes provoquant un phénomène de réchauffement climatique dont les conséquences les plus notables sont la montée du niveau des océans, leur acidification, l'extinction d'espèces et l'intensification des évènements climatiques extrêmes. Dans le cycle naturel du carbone, le CO2 est absorbé par la biomasse et les microorganismes, transformé, puis réémis par les respirations animales et végétales, les incendies ou les éruptions volcaniques. Les activités humaines ont provoqué en 2015 l'émission de 35.9 GtCO2 . Cela représente un excédent annuel de 5.4 % par rapport au flux de CO2 dans le cycle naturel du carbone. Cette situation a entrainé une augmentation de la concentration en CO2 dans l'atmosphère laquelle est passée de 270 ppm à 400 ppm au cours des 200 dernières années. Les stratégies pour limiter les rejets atmosphériques de CO2 reposent principalement sur la mise en oeuvre de technologies plus vertes dans les secteurs polluants (transports, énergie, industries) et sur une évolution des modes de vies et des habitudes de consommation des populations. Les progrès réalisés autour de la chimie du CO2 en ont cependant fait une option plausible pour contribuer à l'effort général. La valorisation du CO2 est perçue à la fois comme un moyen de consommer du CO2 et de produire des composés hydrocarbonés aujourd'hui obtenus à partir d'hydrocarbures fossiles. L'hydrogénation électrochimique de CO2 en phase gaz, en particulier, produit déjà du CH4 et du CO avec de bons rendements et sélectivités dans des cellules électrolytiques à haute température (> 600 �C). Le développement de systèmes catalytiques efficaces à basses températures reste par contre un défi. Dans ce mémoire, un nouveau catalyseur est testé pour l'hydrogénation du CO2 à pression atmosphérique et autour de 400 �C. Le réacteur à oxyde solide est de type "à chambre unique". L'électrode de travail est composée de nanotubes de carbone multifeuillets (NTCMF) développés sur une maille en acier inoxydable et décorés de nanoparticules de Ni. L'électrolyte, solide, est en zircone yttriée (YSZ), un conducteur d'ions O2−. La contre électrode est faite d'un film de Pt déposé sur l'électrolyte à l'aide d'une pâte métallique. La première étape consiste en une étude thermodynamique de la réaction d'hydrogénation du CO2. Les paramètres d'intérêts sont la température, la pression, le ratio entre réactifs, H2/CO2, et réactifs/inertes (Ar). L'objectif étant de déterminer les conditions les plus favorables pour la réaction. Ce travail représente également une opportunité de repenser la manière dont sont modélisées les propriétés thermodynamiques des gaz telles que la capacité calorifique, l'enthalpie ou l'entropie. Une expression exponentielle valide jusqu'à 6000K est viii proposée en remplacement des polynômes actuels. Elle préserve leur précision mais ne possède plus que 3 paramètres. Ces derniers peuvent être reliés aux propriétés moléculaires des gaz telles que le nombre d'atomes ou de degrés de liberté. Les tests sur le système Ni/NTCMF|YSZ|Pt débouchent sur des résultats mitigés. En effet, bien que la pertinence de l'étude thermodynamique soit confirmée grâce à la mesure des intensités de réactions traversant la cellule, les taux de réactions sont trop faibles pour que des produits puissent être détectés au spectromètre de masse ou au chromatographe en phase gaz. Ces faibles taux de réactions ont été attribués à la nature de l'interface entre les électrodes et le support, et en particulier à la mauvaise stabilité thermique de la contre électrode de Pt. Pour surmonter cet écueil, un nouveau protocole via ablation laser est adopté pour déposer des films minces de Pt non poreux sur l'électrolyte en YSZ. La structure de ces nanofilms peut ensuite être altérée par recuit au-dessus de 400 �C pour donner des électrodes avec davantage de frontières triphasique gaz/métal/électrolyte et donc une plus grande densité de sites catalytiques. Le processus de recuit de nanofilms de Pt/YSZ est maintenant bien décrit par la littérature en ce qui regarde sa dépendance à la température et à l'épaisseur initiale de la couche de Pt. Cependant, l'influence de la durée de recuit sur l'évolution de ces nanofilms n'est que peu ou pas décrite par la littérature. Les modèles actuels prédisent une décroissance continue de la couverture surfacique du support en métal, depuis un film, jusqu'à des îlots interconnectés, puis isolés et finalement des nanoparticules. Nous rapportons ici le recuit de films de Pt (15nm et 30nm d'épaisseur) pour des températures variant de 400 �C à 1000 �C et des durées allant jusqu'à 16 h. Après la chute initiale en couverture surfacique, telle que prédite par les modèles, celle-ci réaugemente dans toutes les configurations testées et des ponts se reforment même entre les îlots. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la synthèse de catalyseurs et d'électrocatalyseurs Pt/YSZ plus stables.  ABSTRACT: The current level of atmospheric CO2 emissions is beyond what the ecosystem can absorb causing a phenomenon of global warming. Notable consequences have followed, such as sea level rise and acidification, species extinction and an increased occurrence of extreme climate events. In the natural carbon cycle, CO2 is transformed through plant photosynthesis and microorganisms before being re-emitted by plant and animal respiration, by wildfires and by volcano eruptions. Human activities represented, in 2015, 35.9 GtCO2 per year. This is in excess of 5.4% over the natural yearly carbon cycle, which brought CO2 concentration in the atmosphere to 400 ppm, up from 270 ppm two centuries ago. Strategies to curb CO2 emission into the atmosphere rely on the implementation of greener technologies and a change in citizens' way of life and consumption habits. However, significant progress in CO2 chemistry made its transformation a plausible option to contribute to this general effort both as a way to consume CO2 while replacing fossil oil to produce value-added hydrocarbons and fuels. Electrochemical CO2 hydrogenation in gas phase, in particular, produce CH4 and CO with good yields and selectivities in electrolysis cells at high temperature (> 600 �C). Developing electrochemical cells and catalysts efficient at a lower temperature is, however, still a challenge. In this thesis, a new catalyst for the hydrogenation of CO2 is investigated in a solid oxide single-chamber type reactor around 400 �C at atmospheric pressure. The working electrode is made of multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) grown on a stainless steel mesh and decorated with Ni nanoparticles. The electrolyte is a solid disc of yttria stabilized zirconia (YSZ), an O2− conductor, and the counter electrode in Pt is deposited from a metallic paste. The first step consisted in a software-based thermodynamic study of the hydrogenation reaction to determine the most favored conditions. Parameters of interest were the temperature, the pressure, the ratio between reactants, H2/CO2, and reactants/inerts (Ar). This work was also the occasion to rethink the way gas thermodynamic properties such as heat capacity, enthalpy and entropy are modeled. An exponential expression is proposed to replace the current polynomials up to 6000K. It keeps their accuracy and provide good extrapolation capabilities while having only 3 parameters that relates to gas molecular properties such as the number of atoms and degree of freedom. Tests over the Ni/MWCNTs|YSZ|Pt system gave mixed results. Indeed, despite confirming the pertinence of the thermodynamic study through potentiostat intensity measurements, the reaction rates were too low to produce compounds detectable through mass spectrometry or x gas chromatography. Low reaction rates were attributed, thanks to FE-SEM analysis to the nature of the interface between the electrodes and the support and especially to the low stability of the Pt counter electrode. A new protocol, through laser ablation, was adopted to deposit thin nonporous Pt films over the YSZ electrolyte. Nanofilms may indeed be engineered through annealing above 400 �C into electrodes with improved three phase boundaries gas/metal/electrolyte, thus increasing the density of active catalytic sites. The process of Pt thin film annealing over YSZ is now well described in the literature with respect to temperature and film thickness dependencies. However, experimental work on time dependency is lacking to assess the validity of the models. They currently predict a continuous decrease in the metal surface coverage from a film to the formation of bridged islets then isolated islets and particles. Here we report the annealing of 15nm and 30nm thick Pt films at temperatures from 400 �C to 1000 �C for times up to 16 h. It is found that after an initial drop, as predicted by the current models, the surface coverage begins to increase again, with bridges even re-forming between the islets. The study opens new perspectives for the synthesis of more stable Pt/YSZ catalysts and electrocatalysts.


identifier: Dagallier, A. (2016). Dynamique de nanobulles et nanoplasmas générés autour de nanoparticules plasmoniques irradiées par des impulsions ultracourtes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'émergence des lasers à impulsion ultrabrèves et des nanotechnologies a révolutionné notre perception et notre manière d'interagir avec l'infiniment petit. Les gigantesques intensités générées par ces impulsions plus courtes que les temps de relaxation ou de diffusion du milieu irradié induisent de nombreux phénomènes non-linéaires, du doublement de fréquence à l'ablation, dans des volumes de dimension caractéristique de l'ordre de la longueur d'onde du laser. En biologie et en médecine, ces phénomènes sont utilisés à des fins d'imagerie multiphotonique ou pour détruire des tissus vivants. L'introduction de nanoparticules plasmoniques, qui concentrent le champ électromagnétique incident dans des régions de dimensions nanométriques, jusqu'à une fraction de la longueur d'onde, amplifie les phénomènes non-linéaires tout en offrant un contrôle beaucoup plus précis de la déposition d'énergie, ouvrant la voie à la détection de molécules individuelles en solution et à la nanochirurgie. La nanochirurgie repose principalement sur la formation d'une bulle de vapeur à proximité d'une membrane cellulaire. Cette bulle de vapeur perce la membrane de manière irréversible,entraînant la cellule à sa mort, ou la perturbe temporairement, ce qui permet d'envisager de faire pénétrer dans la cellule des médicaments ou des brins d'ADN pour de la thérapie génique. C'est principalement la taille de la bulle qui va décider de l'issue de l'irradiation laser. Il est donc nécessaire de contrôler finement les paramètres du laser et la géométrie de la nanoparticule afin d'atteindre l'objectif fixé. Le moyen le plus direct à l'heure actuelle de valider un ensemble de conditions expérimentales est de réaliser l'expérience en laboratoire,ce qui est long et coûteux. Les modèles de dynamique de bulle existants ne prennent pas en compte les paramètres de l'irradiation et ajustent souvent leurs conditions initiales à partir de leurs mesures expérimentales, ce qui limite la portée du modèle au cas pour lequel il est écrit. Ce mémoire se propose de prédire la taille maximale ainsi que la dynamique des bulles générées par des impulsions ultrabrèves en fonction uniquement de la géométrie de la particule et des paramètres du laser, entre autres la durée de pulse, la longueur d'onde centrale et la fluence d'irradiation.  ABSTRACT: Ultrashort lasers and nanotechnologies have dramatically changed the way we see and interact with matter at the nanoscale. Faster than the characteristic times of the irradiated medium, these very large intensity pulses induce strong nonlinear effects, e.g. doubling the frequency or ablation in regions about the size of the laser wavelength. Biomedicine strongly benefits from these phenomena, for instance with two-photon imaging and ablation of living tissues. Plasmonic nanoparticles can concentrate the laser energy even further, in volumes of about a tiny fraction of the wavelength, through the electromagnetic field redistribution induced by the collective oscillations of the quasi-free electrons of the structure. The nonlinear interactions are greatly amplified and allow for a fine tuning of the energy deposition, paving the way towards single-molecule imaging or nanosurgery. Nanosurgery relies mainly on the formation of a bubble in close proximity to a cell membrane. Permanent as well as transient damage may be inflicted to the cell, depending on the bubble size. This can lead to either cell death or to a short-lived hole in the membrane, through which drugs or DNA brands can penetrate the cell. A precise control of the bubble dynamics and therefore of the irradiation parameters (of the laser and the nanoparticle) is required for real-life applications. As of today, the only possible optimisation is an experimental one, but it is costly. Existing theoretical models of the bubble dynamics are usually self-consistently solved through determination of the initial condition that depend on the measured bubble diameter, which restricts the use of such model to the very precise case it was written for. This thesis therefore aims to build a theoretical framework that can successfully predict both the maximal diameter and bubble dynamics resulting from the ultrafast irradiation of nanostructures of different geometries by using lasers of various pulse widths, central wavelengths and irradiation fluences. The physics of the irradiation is quite complex and spans over multiple time and space scales, from the ≃100 fs, nanometric energy deposition, to the ≃100 ns, micrometric bubble dynamics and shockwave propagation. The complete simulation of the whole interaction is extremely time- and computer-intensive, and is as such not envisageable.


identifier: Afsharzadeh, A. (2016). Automatic Disassembly Task Sequence Planning of Aircrafts at their End-of-Life  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une prise de conscience des problèmes environnementaux à l'échelle mondiale ainsi que des avantages économiques a stimulé les chercheurs à trouver les possibilités de réutiliser et de recycler les produits en fin de vie. Chaque année plusieurs centaines d'avions atteignent globalement fin de leur navigabilité et doivent être retirés du service actif. De ce fait, une attention accrue est maintenant accordée à la fin de vie des avions. Désassemblage joue un rôle important dans la prise de décision de fin de vie. La faisabilité économique du processus de démontage avec beaucoup d'incertitudes est une préoccupation majeure limitant sa mise en oeuvre dans la pratique de l'industrie. De nombreuses recherches dans le domaine de la planification et des opérations de processus de démontage a été fait, qui visent de plus en plus la faisabilité économique du démontage avec la réduction des temps de démontage de proposer des séquences de démontage optimisées. Par conséquent, ces dernières années, de nombreux chercheurs ont publié des articles sur la planification de la séquence de démontage des produits en fin de vie qui est un problème NP-complet optimisation combinatoire. Néanmoins, il y a eu un peu d'attention à la planification de la séquence de démontage d'avions en fin de vie. Cette thèse aborde la planification de séquence de démontage des pièces réutilisables d'avions en fin de vie avant le démantèlement pour le recyclage. Puisque les composants récupérés vont être utilisés à nouveau, une approche non-destructive tout en respectant les  instructions fournies dans le manuel d'entretien d'avion intitulé « Aircraft Maintenance Manuel » (AMM) pour le retrait des pièces est prise en considération. Ordonnancement de désassemblage dans cette recherche ne traite pas le séquençage le démontage des pièces comme dans d'autres études, mais il planifie séquence de tâches de démontage dans l'AMM. Une tâche de démontage consiste combinaison d'opérations pour la préparation du démontage ou le procède de démontage pour un ou plusieurs pièces. Tout d'abord, un modèle de séquençage de démontage est proposé par l'examen structure des tâches de démontage dans l'AMM. Ensuite, un code Matlab est développé qui lit la base de données énuméré des tâches et sous-tâches qui sont acquises à partir de l'AMM et génère la séquence de démontage des tâches et sous-tâches automatiquement en utilisant le modèle proposé. Le code est capable de générer des séquences de désassemblage de tâches pour n'importe quelle pièce sollicitée.  ABSTRACT: An awareness of the world's environmental problems plus economic benefits has stimulated researchers to seek the opportunities to reuse and recycle end-of-life (EOL) products. Each year hundreds of aircraft globally reach end of their airworthiness and should be withdrawn from active service. Due to this fact, increased attention is now being paid to EOL of aircrafts. Disassembly plays an important role in EOL decision making. The economic feasibility of the disassembly process with lots of uncertainties is a main concern limiting its implementation in industry practice. Many researches in the field of disassembly process planning and operations has been done that aim increasing economic feasibility of disassembly with reducing disassembly times with proposing optimized disassembly sequences. Consequently, in recent years, many scholars have published articles on disassembly sequence planning of EOL products that is a NP-complete combinatorial optimization problem. Nevertheless, there has been a scant attention towards disassembly sequence planning of EOL aircrafts. This thesis addresses disassembly sequence planning of reusable components of EOL aircrafts before dismantling it for recycling. Since retrieved components are going to be used again, a nondestructive approach with respecting all instructions provided in aircraft maintenance manual (AMM) for removal of parts is taken into consideration. Disassembly scheduling in this work does not deal with scheduling disassembly of components as in other works but it schedules sequence of removal Tasks in AMM. A removal task consists combination of operations for preparation of disassembly or process of disassembly for a part or multiple parts. At first, a disassembly sequencing model with considering structure of disassembly tasks in AMM is proposed. Afterwards a Matlab code is developed which reads from enumerated database of tasks and subtasks that are acquired from AMM and generates disassembly sequence of tasks and subtasks automatically using the proposed model. The code is capable of generating disassembly sequences of tasks for any given removal task of solicited part. Finally, a greedy and an adaptive greedy algorithm are proposed to optimize disassembly sequence of tasks with minimizing changes in visited zones of disassembly operations. Results generated in Matlab code, suggests effectiveness of proposed adaptive greedy algorithm.


identifier: Bousquet-Jetté, C. (2016). Analyse de scène rapide utilisant la vision et l'intelligence artificielle pour la préhension d'objets par un robot d'assistance  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'assistance robotisée à l'aide de la vision est en pleine effervescence, notamment pour les personnes âgées en perte de mobilité et les personnes atteintes de troubles musculo-squelettiques. Ce mémoire met en lumière les solutions développées dans le cadre d'une maîtrise recherche du département de génie mécanique de l'École Polytechnique de Montréal. Dans ce contexte, la Kinect V2 a permis l'acquisition surfacique de scènes amenant alors le projet à la détection d'objets. Les méthodes de détection actuelles les plus robustes prennent encore beaucoup de temps de calcul, empêchant l'automatisation de la préhension d'objets par des robots dans un temps acceptable pour l'assistance des utilisateurs au quotidien. L'objectif est alors de développer un système d'analyse de scène rapide utilisant la vision et l'intelligence artificielle pour la préhension d'objets par un robot d'assistance. Ce système doit permettre de répondre à l'ensemble des questions suivantes plus rapidement que les méthodes existantes : 1. Combien y a-t-il d'objets et où se situent-ils? 2. Comment les saisir, c.-à-d. quels sont les endroits de préhension efficaces et quelle est la phase d'approche à donner au robot? 3. Quels sont ces objets de la scène, reconnus à partir d'un apprentissage neuronal sur un ensemble de données acquis avec une caméra active? Avec l'acquisition d'un ensemble de données de 180 scènes comprenant un objet chacun, la solution a été développée en 3 étapes : 1. La détection d'objets comprenant la transformation des scènes brutes acquises en données matricielles et la segmentation 3D des scènes pour trouver les objets à l'aide d'un algorithme innovant de « palpage par le haut » suivi de l'élimination des points indésirables par calcul de leur gradient. 2. Apprentissage supervisé de l'ensemble des données suite aux algorithmes de détection d'objets des scènes. 3. Analyse de scène des objets comprenant l'identification des endroits de préhension des objets et la phase d'approche du bras robotique à l'aide d'un arbre de décision simple, puis l'utilisation d'un réseau neuronal combinant deux caractéristiques dont la surface et la couleur RGB nous permettant d'obtenir 83 % de performance dans un espace connu pour la reconnaissance d'objets. Cette étude démontre que l'analyse de scène rapide utilisant la vision et l'intelligence artificielle pour la préhension d'objets par un robot d'assistance en coopération avec un utilisateur peut être réalisée en un temps efficace. En effet, le système prend en moyenne 0,6 seconde pour l'analyse d'un objet dans une scène.  ABSTRACT: Vision-assisted robotic aid is a rapidly expanding field, particularly solutions developed for people affected by age-related loss of mobility and for people subject to musculoskeletal disorders. This thesis presents the series of the solutions developed in the context of a research master at the Mechanical Engineering Department of École Polytechnique de Montréal. In this context, the Kinect V2 allows for rapid surface acquisition of scenes bringing the project to focus on objects detect. The current detection methods available need a lot of computing time, preventing the full automation of prehending objects by robots, in an acceptable time, for the assistance of target users in their everyday activities. The objective of this study is therefore to develop algorithm for fast automated scene analysis and object prehension. The developed algorithm must provide answers to all the following questions faster than existing methods do: 1. How many of the objects are there, and where are they located? 2. Which coordinates on the objects are effective prehension targets and what is the favored path of approach for the robot? 3. What are the objects in the scene, as identified by a neural network on data from an active camera? With the acquisition of a dataset composed of 180 scenes with an object in each scene, the solution was developed following three stages: 1. Object detection involving transformation of raw scenes into data matrices and 3D scene segmentation to find the objects, by means of a novel algorithm for “top-down probing”. This is followed by elimination of undesirable points based on their gradients. 2. After object detection, supervised learning is performed on the objects in the dataset. 3. Scenes containing the objects are analyzed, which includes identification of grasping targets on the objects using a simple decision tree, and selection of the approach path of the robotic arm for full prehension. Subsequently, a neural network performs object recognition utilizing surface geometry and RGB color, yielding 83% performance in a controlled environment. This study has shown that fast scene analysis for robotic prehension of objects in cooperation with a user can be performed with effective promptness. Indeed, the system requires on average 0.6 seconds to analyze an object in a scene.


identifier: Tanguay, S. (2016). Étude de la stabilité d'une excavation à ciel ouvert par différentes approches - application au cas de la carrière Bedford  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec les progrès réalisés dans les domaines de l'informatique et des méthodes numériques, de nombreuses approches d'analyse de stabilité ont récemment fait leur apparition. Plusieurs de ces techniques ont été appliquées au cas de la carrière Bedford et ont été comparées entre elles. Cette carrière est exploitée dans un massif de roches dures fortement fracturées présentant une géologie relativement complexe. Ces analyses ont visé autant la stabilité de l'ensemble du mur ouest, que la stabilité à l'échelle de ses bancs. Les méthodes évaluées vont de plusieurs approches analytiques simples aux techniques numériques les plus complexes. De plus, autant des approches déterministes, probabilistes et des analyses combinées hydrauliques et mécaniques ont été utilisées  ABSTRACT: With the rapid progress in computer science and numerical methods, several stability analysis approaches have been developed and are now part of the everyday tools geotechnical engineers use. In this project, many of these tools were used at the Bedford Quarry and their respective performances were compared. Bedford quarry belonging to the Graymont company is mined in a heavily jointed hard rock mass showing a complex geology. The analyses are used to evaluate both the stability of the entire west wall and the stability at the scale of the benches. The methods used range from simple limit equilibrium approaches to more complex numerical techniques. In addition, deterministic, probabilistic and combined hydraulic and mechanical analyses were used.


identifier: Hadji, A. (2016). Modèles non linéaires pour l'interaction tube-support  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'usure par frottement de tubes de générateur de vapeur due aux vibrations induites par l'écoulement de fluide demeure un problème important dans l'industrie nucléaire. Azizian et Mureithi ont récemment développé le modèle de frottement Hybride (Azizian & Mureithi, 2013) pour simuler tous les comportements de frottement pour l'interaction tube/support. Cependant, l'identification des paramètres du ce modèle demeure non résolue. Pour identifier les paramètres des modèles de frottement, tous les éléments suivants sont nécessaires : les forces de contact (force tangentielle (frottement) et force normale (impact)), la vitesse et le déplacement de glissement dans la zone de contact. La mesure directe de ces éléments par l'utilisation d'un tube de générateur de vapeur en interaction avec ces supports est difficile à réaliser. Pour simplifier ce problème, on a construit un nouveau banc d'essai, où on a utilisé une poutre encastrée d'un côté et simple appui avec le pris en considération de l'effet de frottement dans l'autre. Cette poutre agit comme un amplificateur mécanique des effets de frottement à l'échelle microscopique. L'utilisation de ce problème simplifié, les forces de contact, la vitesse et le déplacement de glissement peuvent être calculés en utilisant la mesure de réponse de la poutre. La méthode de balance harmonique inversée est une nouvelle méthode basée sur l'analyse modale non linéaire qui a été développée dans ce travail pour calculer les forces de contact. Cette méthode est basée également sur le principe de superposition modale et le développement en série de Fourier. Deux formulations sont possibles, celle de la forme harmonique et celle de la forme sous-harmonique. Ces deux formulations peuvent être combinées avec deux méthodes de lissage de la forme modale, le lissage par série trigonométrique et le lissage par de spline. L'approche basée sur les formes sous-harmoniques combinée à la méthode de lissage par de spline a donné de meilleurs résultats pour la reconstruction des signaux des accéléromètres. La reconstruction des signaux a permis d'identifier avec précision les paramètres du modèle de frottement Hybride avec une approche à plusieurs étapes. Cinq paramètres du modèle de frottement Hybride ont étés identifiés en utilisant des modèles de frottement Dahl et LuGre. Certains de ces paramètres sont les mêmes que ceux du modèle de frottement de Coulomb et du modèle de frottement de decay (Stribeck).  ABSTRACT: Fretting wear of steam generator tubes due to vibration induced by fluid flow remains a serious problem in the nuclear industry. Azizian and Mureithi (2013) have recently developed a hybrid friction model to simulate the friction behavior of tube-support interaction. However, identification of the model parameters remains unresolved. To identify the parameters of the friction model, the following quantities are required: contact forces (tangential force (friction) and normal force (impact)), the slip velocity and displacement in the contact region. Simultaneous direct measurement of these quantities by using a steam generator tube interacting with its supports is difficult. To simplify the problem, a newly built test rig, where a beam clamped at one end and simply supported with the consideration of friction at the other is used as a mechanical amplifier of the friction effects at the microscopic level. Using this simplified approach, the contact forces, the sliding velocity and the displacement can be indirectly obtained from the beam's vibration response measurements. The inverse harmonic balance method is a new method based on nonlinear modal analysis which is developed in this work to calculate the contact forces. The method is based on the modal superposition principle and Fourier series expansion. Two formulations are possible, a harmonic form formulation and a sub-harmonic form formulation. These two formulations can be combined with two mode shape form fitting methods, a trigonometric series and spline methods. The approach based on sub-harmonic forms coupled with spline fitting gave the best results for the accelerometer signal reconstruction. Signal reconstruction made it possible to accurately identify the parameters of the hybrid friction model with a multiple step approach. Five parameters of the hybrid friction model were identified using Dahl and LuGre friction models. Some of these parameters are the same as those of the Coulomb and decay (Stribeck) friction models. In further work, the simulation by the finite element method (FEM) of a beam clamped at one end and simply supported with the consideration of friction effect at the other is conducted.


identifier: Séguin, S. (2016). Optimisation stochastique de la répartition spatio-temporelle d'un volume d'eau aux groupes turbo-alternateurs d'un système de production hydroélectrique  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le procédé de fabrication de l'aluminium consomme énormément d'énergie. Le Canada est le 4e  producteur mondial d'aluminium et 90 % de la production est effectuée au Québec, notamment pour son abondance en ressources hydriques. Cette province produit de l'hydroélectricité à des prix compétitifs et plusieurs producteurs d'aluminium possèdent des installations au Québec. L'entreprise minière Rio Tinto opère des alumineries dans la région du Saguenay Lac-St-Jean et est aussi propriétaire d'un système de production hydroélectrique, lui permettant de satisfaire 90 % de la demande en énergie de ses alumineries. L'entreprise achète la portion restante à Hydro-Québec et il est dans leur intérêt de gérer efficacement leur réseau hydroélectrique afin de produire le maximum d'énergie avec l'eau disponible. Plusieurs modèles d'optimisation sont utilisés pour gérer efficacement un système de production hydroélectrique. L'un d'entre eux est le modèle à court terme, aussi nommé le problème de chargement et de répartition optimal. Un système de production hydroélectrique est composé de centrales, qui abritent les turbines. Il existe deux types de centrales: au fil de l'eau et à réservoir. Les centrales au fil de l'eau possèdent peu de réserve d'eau et la puissance générée par les turbines dépend principalement du débit de l'eau. Les centrales à réservoir sont situées à côté d'un barrage permettant de moduler le volume d'eau dans les réservoirs et ainsi la production de puissance. La solution obtenue par cette optimisation détermine le volume des réservoirs, les turbines en marche dans chaque centrale et le débit turbiné par chacune d'entre elle, pour chaque pas de temps, habituellement horaire ou journalier. Ce problème est complexe à résoudre, car les fonctions de production sont non convexes et non linéaires. De plus, chaque turbine a une efficacité différente et les démarrages des turbines doivent être limités puisqu'ils causent une usure prématurée de l'équipement. Enfin, les précipitations qui tombent sur les bassins hydrographiques sont incertaines, ce qui signifie que les apports naturels d'eau dans les réservoirs sont inconnus au moment de prendre une décision. Cette thèse propose une modélisation du modèle à court terme pour le réseau hydroélectrique du Saguenay Lac-St-Jean, ainsi qu'une méthode d'optimisation stochastique pour le résoudre. Tout d'abord, une modélisation déterministe du problème est proposée, c'est-à-dire que les apports naturels sont considérés connus. Un algorithme de programmation dynamique permet de calculer des surfaces de puissance pour chaque centrale qui sont ensuite utilisées comme fonction objectif dans la méthode d'optimisation en deux phases développée. La première phase, le problème de chargement, résout un modèle non linéaire mixte en nombres entiers. La deuxième phase, le problème de répartition, résout un modèle linéaire en nombres entiers. Les résultats obtenus avec la méthode proposée sont comparés aux décisions opérationnelles historiques et démontrent que la méthode permet d'augmenter la production d'énergie. De plus, une comparaison avec une modélisation en une seule phase confirme que la méthodologie proposée permet de résoudre rapidement le modèle à court terme. Ensuite, la modélisation déterministe est étendue afin de considérer des apports naturels incertains et un modèle à court terme stochastique est développé. Une méthode de génération d'arbres de scénarios, basée sur la minimisation de la distance imbriquée est utilisée afin de créer les arbres de scénarios utilisés dans le modèle d'optimisation, à partir de prévisions d'apports. L'équivalent déterministe du modèle stochastique est résolu, c'est-à-dire qu'un modèle déterministe est résolu à chaque noeud de l'arbre de scénarios. Un horizon roulant est retenu pour valider le modèle d'optimisation. Les prévisions d'apports sont mises à jour quotidiennement, un arbre de scénarios est généré, le modèle stochastique est résolu, la solution du premier noeud est implémentée, les volumes des réservoirs sont mis à jour avec la vraie réalisation des apports et le processus est relancé pour tout l'horizon de planification. Les résultats numériques comparent la solution obtenue par l'optimisation stochastique à l'utilisation du scénario médian des prévisions dans l'horizon roulant et démontrent que l'utilisation d'un modèle stochastique permet de produire plus d'énergie. Des tests avec des arbres de scénarios comportant un nombre différent d'étapes et de scénarios sont effectués. Finalement, la complexité des arbres de scénarios, utilisés dans le modèle d'optimisation à court terme, est étudiée. La méthode de génération d'arbres de scénarios requiert des paramètres qui sont: le nombre d'étapes, le nombre de noeuds fils par étape et l'agrégation de chaque étape. L'horizon roulant, comportant la génération des arbres de scénarios et l'optimisation, est défini comme un problème d'optimisation boîte noire et les paramètres de la méthode de génération d'arbres de scénarios sont optimisés. Le problème consiste à maximiser la production d'énergie de l'horizon roulant en considérant la valeur de l'eau restant dans les réservoirs à la fin de l'horizon de planification et en pénalisant les démarrages de turbines. La solution obtenue avec l'arbre permettant de maximiser l'énergie est comparée avec l'optimisation utilisant des peignes de scénarios pour représenter l'incertitude des apports naturels. Les résultats numériques démontrent que, dans ce cas précis, l'utilisation d'un éventail de peignes de scénarios permet d'obtenir des résultats comparables à un arbre de scénarios complexe, mais que le temps de calcul est grandement diminué.  ABSTRACT: Aluminium production requires huge amounts of energy. Canada is the fourth largest aluminium producer in the world and 90 % of the production takes place in Québec, mainly for its abundant water resources. This province produces hydropower at competitive prices and many aluminium producers operate in Québec. The mining company Rio Tinto is one of them and owns many aluminium plants in the Saguenay Lac-St-Jean region. This company also owns an hydroelectric production system, which allows them to satisfy the demand in energy of the aluminium plants at a 90 % fulfillment. For the remainder, they need to buy the energy from Hydro-Québec so it is at their advantage to operate the hydropower system as efficiently as possible, in order to minimize their energy purchase. Many optimization models are used to manage efficiently hydropower systems. One of them is the short-term, or unit commitment and loading problem. An hydropower system is composed of power plants which contains the turbines. There are two types of power plants: run of the river and power plants with storage reservoir. Run of the river plants have small water reserve capacities and the power production is mostly influenced by the water flow of the river. Reservoir power plants are located beside a dam, which is used to control the volume of water in the reservoirs to modulate power production. The solution to the short-term scheduling problem determines the optimal unit commitment and loading, the water flow through the turbines and the volume of water in the reservoirs, for every period, usually hourly or daily. This problem is complex to solve since the hydropower production functions are nonconvex and nonlinear. Also, each turbine has a different efficiency and it is important to limit unit restarts since they cause premature wear to the equipment. Finally, precipitations that fall on the watersheds are uncertain, which means that the reservoir inflows are unknown when a decision is taken. This thesis proposes a modeling of the short-term problem for the Saguenay Lac-St-Jean hydroelectric system, and proposes a stochastic optimization model to solve it. First, a deterministic modeling of the problem is proposed, which means that the inflows are known. A dynamic programming algorithm is used to calculate power production functions for each power plant, which are then used in the objective functions of a two-phase optimization process. The first phase, namely the loading problem, is a nonlinear mixed integer program. The second phase, the unit commitment, is a linear integer model. Results obtained from the two phase optimization process are compared to historical operational decisions and show that the method increases energy production. Also, a comparison with a modeling of the problem in a single optimization model confirms that the proposed methodology allows to solve rapidly the short-term unit commitment and loading problem. Second, the deterministic modeling is extended to consider uncertain water inflows in the reservoirs and a stochastic short-term model is developed. A scenario tree generation method, based on the minimization of the nested distance, is used to create scenario tree from the inflow forecasts that are then used as input to the stochastic optimization model. The deterministic equivalent of the model is solved, which means that a deterministic model is solved at every node of the scenario tree. A rolling-horizon simulation is used to validate the optimization models. Inflow forecasts are updated daily, a scenario tree is generated, the stochastic optimization model is solved, the solution of the first scenario tree node is implemented, reservoir volumes are updated with the real realizations of the inflows and the process is relaunched for the whole planning horizon. Numerical results compare the solution obtained from the stochastic optimization to the solution obtained with the use of the median scenario of the inflows forecast only and show that the stochastic model allows to produce more energy. Multiple numerical tests are conducted, with different numbers of stages and scenarios in the scenario trees. Finally, the complexity required in the structure of the scenario trees to maximize energy production in a rolling-horizon framework is investigated. The scenario tree generation method requires input parameters which are the number of stages, the number of child nodes at each stage and the aggregation of the period covered by each stage. The best scenario tree parameters are found using a Blackbox optimization formulation of the stochastic short-term unit commitment and loading problem that maximizes the energy production over the rolling-horizon. Three comparisons with the stochastic short-term model are conducted. The first one involves generating a set of scenario trees built from inflow forecast data over a rolling-horizon. The second replaces the set of scenario trees by the median scenario. The last one replaces the set of trees by scenario fans. Numerical results show that using a set of scenario trees is better than using the median scenario, but using scenario fans yields a comparable solution to using scenario trees with less computational effort.


identifier: Delisle, V. (2016). Experimental Performance Characterization and Modeling of Photovoltaic-Thermal Systems for Integration in High Performance Residential Buildings  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les capteurs photovoltaïques intégrés aux bâtiments avec récupération de chaleur (BIPV-T) convertissent l'énergie solaire absorbée en énergie électrique et thermique simultanément à partir d'une seule et même superficie de toit ou de façade, tout en agissant comme une composante intégrale de l'enveloppe du bâtiment. Ainsi, les capteurs BIPV-T démontrent un grand potentiel d'intégration aux bâtiments ayant une superficie limitée de toit ou de façade avec une bonne exposition au soleil ou un objectif énergétique agressif comme par exemple, l'atteinte d'une consommation énergétique nette nulle. Bien que le caractère esthétique et la double-fonctionnalité de cette technologie présente un certain intérêt, le nombre de produits BIPV-T ou de modules photovoltaïques avec récupération de chaleur (PV-T) sur le marché demeure limité. La faible adoption par le marché de cette technologie peut être expliquée par le manque d'information sur son coût-bénéfice, son coût élevé, l'absence d'outils pour estimer la production énergétique et le manque de solutions complètes incluant non seulement le capteur, mais également des stratégies d'utilisation de l'énergie thermique produite. L'objectif de cette thèse est de contribuer à l'élimination de certains obstacles freinant l'adoption des capteurs BIPV-T et PV-T utilisant l'air comme fluide pour récupérer la chaleur en améliorant les connaissances reliées à la caractérisation de la performance et à ses bénéfices réels. La caractérisation de la performance de capteurs PV-T est un défi. Étant donné que les cellules photovoltaïques agissent en tant qu'absorbeur thermique, le rendement thermique est influencé par le rendement électrique et vice-versa. Afin de capturer cette interaction lors de la caractérisation de la performance, un lien doit être établi entre les rendements thermique et électrique. Le Chapitre 4 présente les résultats d'essais expérimentaux effectués en conditions intérieures et extérieures sur deux capteurs PV-T non-vitrés pour valider une méthode qui consiste à utiliser la température équivalente des cellules pour relier la production d'électricité à la production d'énergie thermique dans un capteur PV-T. Cette température peut être estimée à partir de la tension en circuit ouverte sans avoir à mesurer la température des cellules photovoltaïques. Son utilisation évite donc les problèmes associés à la non-uniformité de la température de l'absorbeur et à l'accès à la surface arrière des cellules pour l'installation de senseurs.  ABSTRACT: Building-integrated photovoltaics with thermal energy recovery (BIPV-T) convert the absorbed solar energy into both thermal and electrical energy simultaneously using the same roof or façade area while acting as a standard building envelope material. Thus, BIPV-T show great potential to be integrated in buildings with limited roof or façade area with good solar exposure or in buildings with aggressive energy performance targets such as net-zero. Despite the aesthetic and dual-functionality attractiveness of this technology, the number of BIPV-T products and stand-alone photovoltaic with thermal energy recovery (PV-T) collectors remains limited. The slow market uptake of PV-T technology can be explained by the absence of performance characterization standards and product certification, the lack of information on their cost-benefit, the high cost, the absence of tools to estimate their yield and the lack of whole system solution sets. This thesis aims at contributing to removing some of the barriers to the market uptake of PV-T technology by increasing the knowledge on both its performance characterization and its true benefit focusing on systems using air as the heat recovery fluid. Performance characterization is a challenge for PV-T collectors because PV cells act as the thermal absorber and as a result, the thermal performance is affected by the electrical performance and vice-versa. To capture this interaction during performance characterization, a link between the thermal and electrical yield needs to be established. Chapter 4 presents the results of indoor and outdoor experimental tests performed on two unglazed PV-T modules to validate a method that consists of using the equivalent cell temperature to estimate the PV cells' temperature in a PV-T collector and relate the thermal yield to the electrical yield. This temperature gives a good representation of the actual temperature of the solar cells and can be estimated from the open-circuit voltage without having to actually measure the solar cells' temperature. The equivalent cell temperature solves the problems associated with temperature gradient and PV cells' accessibility for sensor mounting. Under heat recovery conditions, it was found that the equivalent cell temperature could be predicted with the irradiance level and the inlet and outlet fluid temperatures. Since these variables are intrinsically part of the thermal performance characterization, the equivalent cell temperature can be used to link the collector electrical and thermal yield. This relation was further demonstrated by presenting a graphical method that encapsulates both the electrical and thermal performance of the collector.


identifier: Araya Vicentelo, L. (2016). Microstraining Actiflo(R) Settled Waters as a Pretreatment for UF Membranes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les micro-tamis sont recommandés comme préfiltres pour protéger les membranes à basse pression, soit la microfiltration (MF) ou l'ultrafiltration (UF). Cependant, dans le cas d'un système Actiflo®/UF intégré (procédé Opaline®), le micro-tamis installé entre les deux procédés a présenté des limites opérationnelles, comme une fréquence accrue de rétro-lavages en raison du colmatage rapide des micro-tamis ce qui réduit la productivité. À ce jour, la plupart des études sur la combinaison de la coagulation-floculation avec des membranes d'UF ont ciblées la question de l'encrassement des membranes plutôt que le colmatage des micro-tamis. Par conséquent, l'objectif de ce projet était d'identifier les causes du colmatage des micro-tamis alimentés par un processus Actiflo®. Ceci a été réalisé par (i) la caractérisation des eaux décantées de l'Actiflo® de quatre installations d'eau potable de la province de Québec (Pont-Viau, Saint-Damase, Lévis et L'Assomption); (ii) l'identification des mécanismes d'encrassement des micro-tamis en utilisant le modèle Hermia Unifié et (iii) le développement d'un indice de filtrabilité capables de prédire le taux d'encrassement des micro-tamis. En plus, une évaluation de l'efficacité du rétro-lavage des micro-tamis a été réalisée.  ABSTRACT: Microstrainers has been recommended as a pre-filter to protect low-pressure membranes of microfiltration (MF) or ultrafiltration (UF). However, in the case of an integrated Actiflo®/UF system, the microstrainer installed between the two processes has presented operational limitations, such as increased frequency of backwashing due to fast clogging of microstrainers, which may reduce water productivity. To date, most studies on the combination of coagulation-flocculation with UF membranes have focused on membrane fouling rather than microstrainer clogging. Therefore, the objective of this project was to identify the causes of microstrainers clogging fed by an Actiflo® process. This was carried out by the characterization of the settled waters from Actiflo® of four drinking water treatment facilities of the province of Québec (Pont-Viau, Saint-Damase, Lévis, and L'Assomption); identifying the fouling mechanisms of microstrainers using the Unified Hermia model; and finding water characteristics and a filterability index able to predict the fouling rate on microstrainers. In addition, an evaluation of the backwash efficiency of microstrainers was performed.


identifier: Bourget, E. (2016). De nouvelles perspectives d'utilisation des logs dans un contexte de sécurité informatique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'explosion des connexions des systèmes industriels liées au cyberespace a engendré une augmentation conséquente des attaques informatiques. Afin de garantir la sécurité des systèmes industriels il est devenu vital de développer de nouveaux outils de surveillance. La mise en place de tels dispositifs peut cependant avoir des conséquences sur l'outil de production, causant des ralentissements ou s'avérant handicapant pour le fonctionnement. Dans un tel contexte, mettre au point des méthodes non intrusives qui assurent leur sûreté est un enjeu majeur pour la sécurité des systèmes industriels. Les logs sont des ensembles séquentiels de messages produits par un programme dont le rôle est de conserver un historique de l'exécution. Leur génération et leur consultation n'interfèrent pas avec le programme dont ils sont issus, si ce n'est en consommant des ressources du système d'exploitation hôte. Ce caractère les rend particulièrement précieux afin de respecter la contrainte de non-intrusion sur les systèmes industriels que doivent respecter les outils de surveillance. La détection d'anomalies au travers des logs est un problème qui a déjà été couvert dans la littérature, en utilisant une grande variété de modèles. Si l'on considère qu'une attaque est une utilisation anormale du système laissant des traces différentes dans les fichiers de logs, la transposition de ces méthodes constitue une première approche intéressante du problème ainsi qu'un excellent point de départ pour apporter une solution. En suivant cette démarche, nous proposons deux modèles permettant de détecter des attaques en exploitant des données présentes dans les logs : un automate fini et un réseau de neurones. Ces deux modèles reçoivent des données différentes, extraites des logs. Précisons que le système étudié est un serveur Web, générant donc des logs Web et que les attaques qu'il subit sont parmi les plus répandues. L'automate travaille sur les requêtes traitées par le serveur et cherche à reconstituer le parcours du client sur le site Web. L'hypothèse est que si l'automate a été construit en reprenant toutes les utilisations normales possibles du site Web, une trace non reconnue par l'automate ne correspondra donc pas à un comportement normal du client et sera donc labellisée comme résultant d'une attaque. Ses paramètres d'entrée ont été adaptés à deux attaques particulières bien que les tests aient été effectués sur quatre attaques différentes. Le réseau de neurones choisi est un perceptron multicouches dont les paramètres d'entrée sont des vecteurs résumant des traces d'exécution. Le rôle du réseau de neurones sera, étant donné le résumé d'une trace, de déterminer si celle-ci correspond à un comportement normal ou à une attaque et, dans le cas d'une attaque, de préciser laquelle. Le réseau de neurones a également été pensé pour détecter les deux mêmes attaques que l'automate mais ses paramètres d'entrée ont été adaptés pour pouvoir répondre à un cas plus général. Concernant les résultats des expériences destinées à valider les capacités des deux modèles, l'automate a parfaitement répondu aux attentes. Il s'est avéré capable de détecter avec certitude deux des types d'attaques pour lesquelles il a été pensé, mais n'a pas été en mesure d'identifier les deux autres de nature trop différentes. Les traces correspondant à des comportements normaux ont été également correctement reconnues par l'automate. Le réseau de neurones a eu, quant à lui, des résultats plus frustrants, avec un pourcentage de réussite aux environs de 30%. Une version simplifiée du modèle a permis d'augmenter ce pourcentage à plus ou moins 60%. Le réseau de neurones a eu de moins bons résultats pour différentes raisons. Notamment, avec du recul, on peut considérer que le modèle lui-même n'était pas adapté au problème, en particulier ces paramètres qui ne permettaient pas de croiser les logs du serveur Web avec d'autres (comme ceux générés par le système d'exploitation) afin d'en extraire de nouveaux comportements. La raison principale reste cependant que le modèle devait détecter des attaques trop différentes. Contrairement à l'automate qui était dédié au déni de service et à l'attaque par force brute, le perceptron a cherché, dès sa conception, à détecter les quatre attaques. C'est pourquoi il a perdu en efficacité sur les deux attaques principales. Pour autant, le travail de recherche reste positif. L'objectif de ce projet était avant tout d'étudier des techniques de détection d'intrusion et de montrer le potentiel de l'utilisation de logs autour desquels construire des modèles de surveillance de systèmes industriels. Ce but a été atteint et la perspective de mettre au point de tels dispositifs peut être envisagée.  ABSTRACT: A sizable increase in the number of computer attacks was due to the outburst of connections between industrial systems and the cyberspace. In order to ensure the security of those systems, it became vital to develop new monitoring solutions. Yet, setting up those mechanisms may have consequences on the production tool, leading to falloffs or crippling its normal functioning. In this context, developing non-intrusive methods that ensure reliability in a major concern in the security of industrial systems. Logs are sequential sets of messages produced by a program whose role is to keep track of a historic of execution. Their generation and their reading do not interfere with the program that creates them, besides consuming resources of the host operating system. This feature makes them very valuable when trying to respect the non-intrusion constraint that monitoring tools must abide by when dealing with industrial systems. Anomaly detection through logs is a problem that was studied in the literature, using several models. If one considers an attack as an abnormal use of a system, writing different traces in the log files, the translation of these methods establish an interesting first approach of the problem as well as an excellent starting point to bring a solution. Following this process, we propose two models allowing to detect attacks by using data contained in logs: a finite state automaton and a neural network. There two models receive different data extracted from logs. Let us point out that the system studied is a web server, generating web logs and that the attacks it underwent are amongst the most spread ones. The automaton works on request handled by the server and seeks to rebuild the journey of the client on the website. The hypothesis is this: if the automaton was built using all the possible paths a normal client can follow, a non-recognized trace would not correspond to a normal behavior and thus will be labeled as the result of an attack. The neural network chosen is a multilayer perceptron which input parameters are vectors summarizing execution traces. The role of the network will be, given the summary of a trace, to determine if it corresponds to a normal behavior or an attack, and in the case of an attack, which one. Regarding the results of the experiences whose objective was to validate the capacities of the two models, the automaton addressed our needs. It proved itself able to detect two types of attacks with certainty, but was incapable of identify two others. Traces corresponding to a normal behavior have also been recognized by the automaton. The neural network, as for it, had much more frustrating results, with a success rate of about 30%. A simplified version of the model was able to increase this rate to about 60%. The neural network may have had lower results for various reasons. With more hindsight, the model itself was not the most suited for the problem. Parameters may not have been convenient for the model, et would not allow any cross analysis with others (such as logs generated by the host operating system) in order to extract new behaviors either. Though, the main reason is that the model had to detect attacks that were too much different. Contrary to the automaton that was dedicated to the denial of service and the bruteforce attack, the perceptron tried, according to its design, to detect the four attacks. This is why it lost its efficiency on the two mains attacks. Nevertheless, the overall work remains positive. The objective of this project was to study intrusion detection methods and to demonstrate the potential of the use of logs in building models to monitor industrial systems. This goal was reached and the perspective to develop such tools can be considered.