identifier: Morin, J.-N. (2013). Preuve de concept d'un dispositif de stockage d'énergie pour applications dans des convertisseurs de puissance  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire traite d'un dispositif de stockage d'énergie utilisant des supercondensateurs. Ce dispositif, lorsque utilisé en plusieurs exemplaires commutés et reliés en série, permet de créer divers types de convertisseurs de puissance. L'usage de supercondensateurs dans le principe de fonctionnement de ces convertisseurs de puissance leur permet de combiner les fonctions de conversion de puissance et de stockage d'énergie dans un seul dispositif. L'objectif principal de ce mémoire est de démontrer la faisabilité du concept présenté. C'est-à-dire montrer que les modules individuels fonctionnent tel qu'anticipé, et qu'il est possible de réaliser des convertisseurs de puissance fonctionnels en utilisant plusieurs de ces modules. Le principe de la double couche électrochimique, sur lequel repose le fonctionnement des supercondensateurs, permet à ces derniers d'accumuler substantiellement plus d'énergie que les condensateurs conventionnels. De plus, ils ont une densité de puissance supérieure à celle des batteries conventionnelles. Cela est dû au fait que le fonctionnement des batteries repose sur des réactions chimiques, un processus relativement lent. Par contre, les supercondensateurs sont limités par la tension qu'ils peuvent atteindre, soit environ 2,7 V généralement. On doit alors en relier plusieurs en série afin d'obtenir des tensions plus élevées. Or, cela pose problème car la variabilité des capacités réelles d'un condensateur à un autre fera varier les tensions atteintes dans chacun d'eux. Il y a alors risque de dépasser les limites de tensions. Cependant, le principe de fonctionnement du dispositif dont il est question ici permet de gérer les tensions, ce qui élimine ce problème. Le coeur du projet réside dans le module de puissance. Celui-ci est composé de supercondensateurs et des semiconducteurs servant d'interrupteurs. Le circuit repose sur le concept de supercondensateurs commutés, reliés en série. La commutation permet d'inclure ou de retirer individuellement tout supercondensateur de la série, ce qui fait varier la tension aux bornes de la série en conséquence. Les commutations sont commandées par un microcontrôleur. De plus, le design du dispositif retenu dans le cadre de cette recherche contient un circuit de commande et de protection. Chacune des séries de supercondensateur constitue une « branche ». Un convertisseur peut être réalisé en faisant fonctionner une ou plusieurs branches en parallèle, selon la topologie retenue. Les tests effectués pendant le projet ont porté sur une topologie à trois branches.  ABSTRACT: This dissertation presents an energy storage device which uses ultracapacitors. This device, when used in several series connected and commutated units enables the creation of different types of power converters. The use of ultracapacitors in those power converters allows them to combine the functions of power conversion and of energy storage in one single device. The main objective of this dissertation is to demonstrate the feasability of the concept, which means showing that individual modules work as they are expected to, and that it is possible to make power converters by connecting several of these devices in series. The electrochemical double layer concept, on which ultracapacitors rely, allows them to store much more energy than conventional capacitors. Ultracapacitors also have a much higher power density than conventional batteries. This is due to the fact that conventional batteries rely on chemical reactions, which is a relatively slow process.  One the other hand, the tension that ultracapacitors can handle is limited to low values, typically around 2,7 V. They must therefore be connected in series in order to attain higher voltages. This can be problematic because the variability of capacity from one ultracapacitor to another will result in varying tensions in each of them. There is then a risk that the tension might exceed the limit in one or more of them. However, the operating principle of the device allows managing the tensions in each ultracapacitor, which solves this problem. The basic building block of the invention is the power module. It is composed of ultracapacitors and semiconductors acting as interruptors. The concept of commutated ultracapacitors connected in series is at the heart of the operating principle of the circuit. Each ultracapacitor can either be added or removed from a branch of ultracapacitors connected in series. This is done by the commutation of the semiconductors used as interruptors. This results in the ability to control at will the resulting tension between the two ends of a branch. The commutations are controlled by a microcontroler chip. The design of the device, as used in this research, also contains a control and protection circuit. A converter can be made by using one or several branches in parallel. The tests made for this research used a topology consisting of three branches. In this topology, there is always one of the branches connected to the input, another connected to the output, and the third branch acts as a buffer.


identifier: Lemieux, A.-A. (2013). Méthodologie de transformation leagile en développement de produits pour l'industrie du luxe  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les entreprises de l'industrie du luxe sont aujourd'hui soumises à une pression constante de la part des marchés pour développer et produire une plus grande variété de nouveaux produits dans des délais toujours plus courts. Néanmoins, cela doit se réaliser en répondant tout à la fois aux critères fondamentaux de l'industrie tels que concevoir l'unique, réaliser l'extravagance, rendre le produit à son plus haut niveau de qualité et se renouveler tout en maintenant intacte l'image de marque et l'élitisme du produit. L'amélioration des processus de développement de produits par les paradigmes du lean et de l'agilité connus sous le terme «leagility» peut apporter des réponses à ces défis. Poursuivis conjointement, les objectifs du lean et de l'agilité se focalisent d'une part sur l'élimination des gaspillages tout en créant un flux continu sur la chaîne de valeur et d'autre part, se concentrent sur une réponse proactive face à la demande des marchés. Cependant, considérant la multiplicité de techniques et d'outils leagiles, il n'est pas simple pour une organisation de sélectionner les initiatives de transformation les plus performantes ainsi que les activités à réaliser afin de répondre efficacement aux besoins d'amélioration spécifique relatifs aux objectifs stratégiques de l'entreprise. Définir, déployer et piloter un plan de transformation cohérent par rapport à la vision de l'organisation et considérant son niveau de maturité d'adoption des bonnes pratiques en développement de produits requièrent une rigueur et une implication soutenue des membres de l'organisation ainsi qu'une vision claire des objectifs à atteindre lesquels s'illustreront par des résultats tangibles et mesurables. Reconnaissant cette difficulté industrielle, cette thèse propose une méthodologie de transformation leagile en développement de produits permettant de conduire la transformation d'une organisation sur tout son cycle de vie allant de l'initialisation de la vision jusqu'au pilotage des initiatives d'amélioration leagiles de manière incrémentale. En d'autres termes, l'approche soutient les utilisateurs et les guide dans la conduite d'un diagnostic de maturité, dans la sélection des leviers d'amélioration appropriés, dans le choix des outils et des techniques d'amélioration associés ainsi que dans la construction et dans le déploiement d'un plan d'intervention reposant sur une séquence détaillée d'activités prenant en compte les bonnes pratiques de la conduite du changement. Cependant, est-il possible de réduire de façon significative le temps de développement des nouveaux produits, appelé le Time-to-Market (TTM), en révisant et en transformant les processus de développement selon une démarche unique et applicable à divers produits de luxe et ce, sans nécessairement recourir à l'adoption de nouveaux systèmes d'information ou d'innovations technologiques? C'est à l'aide d'une méthode de recherche intervention, une méthode qualitative de type transformative que la méthodologie de transformation a été expérimentée à l'intérieur de plusieurs divisions de produits d'un acteur important de l'industrie du luxe. L'application de la méthodologie a généré des résultats positifs qui ont pu être mesurés à partir des indicateurs de taux de services, des indicateurs de taux de qualité des livrables ainsi qu'en terme de TTM. Notamment, une des divisions de produits de l'entreprise a bénéficié d'une augmentation de son taux de service sur le développement des nouveaux produits de plus de trente pourcent tout en ayant un TTM en pente descendante. Les contributions sont aussi multiples sur le plan scientifique. Sur le plan conceptuel, deux cadres d'analyse permettant de mener une revue de la littérature des modèles et initiatives de création d'agilité et d'amélioration selon les paradigmes du lean sont proposés. Sur le plan stratégique, un cadre d'adoption et d'alignement de la performance permettant de guider les industriels dans les phases amont d'une démarche de transformation en s'appuyant sur une approche d'amélioration incrémentale d'initiatives leagiles est proposé. Constituant la principale contribution de ce projet de recherche, cette méthodologie de transformation leagile en développement de produits vise à construire et à déployer un plan d'amélioration reposant sur une séquence d'activités permettant de piloter les différentes initiatives d'amélioration leagile au moment et à l'endroit où elles le sont nécessaires dans l'organisation.  Cette approche de pilotage de transformation stratégique diffère grandement des approches courantes d'amélioration continue qui s'appuient en grande partie sur l'identification d'opportunités d'amélioration par le personnel et non pas par la direction. Mots clés : Transformation, Amélioration des processus d'affaires, Lean, Agilité, Développement de produits, Industrie du luxe.  ABSTRACT: Luxury industry companies are subjected to constant pressure from markets to develop and produce more varieties of new products in shorter delays. Nevertheless, this must be realized without compromising fundamental criterion such as designing unique products, developing extravagance, achieving top quality level and renewing the offering while, at the same time, retaining the brand image and elitism of the product. Lean and agile concepts, known by the term “leagility”, offer potential answers for facing these challenges and to improve product development processes . Pursued together, lean and agile objectives focalize on waste elimination while creating a continuous flow on the value chain. However, considering the large number of leagile techniques and tools, it is not easy for an organization to select the most efficient transformation initiatives and the most adequate activities to be implemented to meet achieve their strategic objectives. Defining, deploying, and steering a consistent transformation plan in line with the organisation's vision and its level of maturity in terms of adoption of best practices calls for rigour and considerable involvement of the organisation members, as well as a clear vision of the objectives to be achieved. This thesis proposes a leagile transformation methodology for guiding industrials in a product development organisation transformation along its entire life cycle from the definition of a clear vision to the deployment of leagile improvement initiatives. The proposed approach supports users in conducting a maturity diagnostic, in selecting appropriate levers for improvement, in choosing related tools and related improvement techniques with the aim of constructing, and rolling out a transformation plan which relies on change management best practices. This thesis also demonstrates that it is possible to significantly reduce the time to develop a new product, called time-to-market (TTM), in using a unique approach, by transforming the product development processes without relying on technologies and information systems Indeed, according to an intervention research method, a qualitative method of transformative research methodology, the proposed leagile transformation methodology was tested in several product development divisions of an important actor within the luxury industry. The transformation methodology deployment has enabled a number of positive results to be generated, measured by service ratio, deliverables quality ratios and in terms of TTM. One of the company product divisions in particular saw an significant increase in its new product development service ratio of thirty percent while decreasing its TTM.  From a scientific point of view, this research has brought several contributions. Conceptually, two analysis frameworks to conduct a literature review on existing models and initiatives supporting agility creation and lean in product development were proposed. From a strategic point of view, a framework aiming to guide industrials in the upstream phases of their product development transformation in using a leagile improvement incremental approach was also proposed. This framework constitutes the principal contribution which is a complete transformation methodology guiding step by step change management of a product development processes recasting in applying leanness and agility paradigms. The proposed approach aims at developing and deploying an intervention plan relying on a detailed sequence of activities in order to pilot leagile improvement initiatives at the time and in the area where they are necessary in the organisation.  The proposed model favors a top-down approach which is atypical for a continuous improvement program. Keywords: Transformation, Business Process Improvement, Lean, Agility, Product Development, Luxury Industry.


identifier: Mdimagh, A. (2013). Conception et optimisation d'un système de collecte d'énergie éolienne  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Resumé : Cette thèse porte sur l'étude du problème de conception d'un réseau de collecte d'énergie éolienne. Celui-ci consiste à installer les capacités sur les liens d'un réseau électrique potentiel pour acheminer au moindre coût l'énergie produite par des éoliennes vers une sous-station de transformation. L'augmentation du nombre d'éoliennes installées dans un parc éolien nécessite la conception des réseaux étendus sur plusieurs kilomètres de lignes électriques et donc des investissements importants. Face à un tel enjeu financier, l'utilisation d'outils d'optimisation de conception de réseaux s'avère capitale. Le problème de conception d'un réseau de collecte d'énergie éolienne fait partie d'une grande classe de problèmes de conception de réseaux.  Mise à part sa complexité héritée de cette classe, ce dernier est sujet à une contrainte technique importante à savoir la non-bifurcation de l'énergie. En effet, les concepteurs de réseau exigent que l'énergie produite par un groupe d'éoliennes et qui est combinée sur un lien donné reste combinée jusqu'à ce qu'elle atteigne la sous-station. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur deux variantes de ce problème. La première variante consiste à installer des câbles souterrains et des lignes de transmission sur les liens potentiels du réseau électrique tels qu'un seul choix de capacité est disponible. La deuxième variante qui est plus compliquée que la première  consiste non seulement à déterminer les liens qui sont utilisés pour acheminer l'énergie vers la sous-station, mais également à choisir la capacité de chaque lien utilisé, ce choix devant être fait parmi un ensemble de possibilités fixé par les concepteurs. Tous ces choix doivent être faits en prenant en considération les pertes engendrées par le transfert de l'énergie dans ce réseau. Dans les deux variantes, nous supposons que l'emplacement des éoliennes est prédéfini et qu'il est possible d'installer plusieurs liens parallèles entre deux sommets du réseau. Face à la complexité de ce problème, nous proposons des approches exactes pour la résolution des deux variantes.  Plus précisément, nous commençons d'abord par développer les formulations mathématiques appropriées. Nous nous orientons ensuite vers  les techniques basées sur la théorie polyédrale qui, de nos jours, sont qualifiées comme très efficaces pour la résolution de problèmes complexes en optimisation combinatoire. Nous déterminons en particulier des inégalités valides et proposons des techniques pour la génération de plans coupants. Toutes les méthodes proposées sont testées sur des exemplaires concrets fournis par notre partenaire industriel.  ABSTRACT: The aim of this thesis is to study the wind farm collection network design problem which consists of choosing a subset of edges of a potential electrical network and assigning the right capacity to each link so that the energy produced by the wind turbines can be sent to a specific sub-station at minimum cost. Designing such an electrical network incures a significant cost when building a wind farm. Therefore, it will be useful to develop efficient tools to find an optimal design in reasonable computation time. The wind farm collection network design problem belongs to a large class of network design problems which is known to be $NP$-hard.  In designing a collection network, one must take an important engineering constraint into account. The energy flowing through a link is unsplittable, i.e., once the energy units produced by wind turbines and bundled on a given link these units have to remain bundled until they reach the substation. In this thesis, we will focus on two versions of this problem. The first one consists of selecting edges to install underground cables and transmission lines such that there is only one capacity for each type of link (cable or transmission line). In the second version of the problem we are allowed to install different types of capacities on the edges of the electrical network. Furthermore, power losses due to energy dissipation are accounted for when calculating the objective function. We assume that the locations of the turbines are already known for the two versions of the problem and several parallel links may be installed between two endpoints. We propose models and algorithms for the two versions of the problem. Then we discuss several ways to strengthen our models by means of valid inequalities. We also develop procedures for generating cutting planes. Computational tests performed on instances provided by our industrial partner confirm the efficiency of the proposed methods.


identifier: Stimpfling, T. (2013). AcceCuts: un algorithme de classification de paquets conçu pour traiter les nouveaux paradigmes des réseaux définis par logiciel  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La classification de paquets est une étape cruciale et préliminaire à n'importe quel traitement au sein des routeurs et commutateur réseaux (« switch »). De nombreuses contributions sont présentes dans la littérature, que cela soit au niveau purement algorithmique, ou ayant mené à une implémentation. Néanmoins, le contexte étudié ne correspond pas au virage du Software Defined Networking (SDN, ou réseau défini par logiciel) pris dans le domaine de la réseautique. Or, la flexibilité introduite par SDN modifie profondément le paysage de la classification de paquets.  Ainsi, les algorithmes doivent à présent supporter un très grand nombre de règles complexes. Dans le cadre de ce travail, on s'intéresse aux algorithmes de classification de paquets dans le contexte de SDN. Le but est d'accélérer l'étape de classification de paquets et de proposer un algorithme de classification, capable d'offrir des performances de premier plan dans le contexte de SDN,  mais aussi, offrant des performances acceptables dans un contexte classique. A cet égard, une évaluation d'EffiCuts, un des algorithmes offrant la meilleure performance, est effectuée dans un contexte de SDN. Trois optimisations sont proposées; le Adaptive grouping factor qui permet d'adapter l'algorithme aux caractéristiques de la table de classification utilisée, le Leaf size modulation, visant à déterminer la taille optimale d'une feuille dans le contexte de SDN et enfin, une modification de l'heuristique utilisée pour déterminer le nombre de découpe à effectuer au niveau de chacun des nœuds, permettant de réaliser un nombre de découpes réduit. Ces trois optimisations permettent une augmentation des performances substantielle par rapport à EffiCuts. Néanmoins, de nombreuses données non pertinentes demeurent lues. Ce problème, inhérent à certains algorithmes utilisant des arbres de décision (plus précisément HiCuts et ses descendants), tend à ajouter un nombre significatif d'accès mémoire superflus. Ainsi, un nouvel algorithme, est proposé. Cet algorithme nommé AcceCuts, s'attaque à l'ensemble des problèmes identifiés. Ce dernier reprend les optimisations précédentes, et ajoute une étape de prétraitement au niveau de la feuille, permettant d'éliminer les règles non pertinentes. Une modification majeure de la structure des feuilles, ainsi que de la technique du parcours de l'arbre de décision est donc présentée.  ABSTRACT: Packet Classification remains a hot research topic, as it is a fundamental function in telecommunication networks, which are now facing new challenges. Many contributions have been made in literature, focusing either on designing algorithms, or implementing them on hardware. Nevertheless, the work done is tightly coupled to an outdated context, as Software Defined Networking (SDN) is now the main topic in networking. SDN introduces a high degree of flexibility, either in processing or parsing, which highly impact on the packet classification performance: algorithms have now to handle a very large number of complex rules. We focus this work on packet classification algorithms in SDN context. We aim to accelerate packet classification, and create a new algorithm designed to offer state of the art performance in SDN context, while performing in a classical context. For this purpose, an evaluation of EffiCuts, a state of the art algorithm - in a classical context -, is performed in SDN context. Based on this analysis, three optimizations are proposed: “Adaptive Grouping Factor”, in order to adapt the algorithm behavior to dataset characteristic, “Leaf size modulation”, allowing to choose the most relevant leaf size, and finally adopting a new heuristic to compute the number of cuts at each node, in order to determine an optimal number of cuts. Those three optimizations improve drastically the performance over EffiCuts. Nevertheless, some issues are still not addressed, as many irrelevant data are still read, incurring multiples useless memory accesses. This inherent problem to decision tree based algorithms (HiCuts related algorithms) tends to add unnecessary memory accesses for each tree considered. Therefore, in SDN context, this becomes more critical as many clock cycles are wasted.


identifier: Ramirez, L. D. (2013). Estimation d'état des réseaux électriques de distribution maillés  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente un nouvel algorithme qui a pour objectif d'estimer l'état des réseaux de distribution maillés en utilisant la méthode unifiée d'estimation d'état avec l'analyse-nodale-modifiée-augmentée (DSSE-MANA). L'intérêt principal de cette méthode est l'estimation des valeurs de la charge en utilisant leur mesure ou estimation de puissance et leur facteur de puissance de façon indépendante. De plus, cette méthode peut être appliquée au calcul de la répartition de puissance ou à l'allocation de charge. La contribution significative de cette recherche est la démonstration que la méthode (DSSE-MANA) peut estimer l'état des réseaux de distribution maillés. De plus, ce document présente l'intégration des équations du facteur de puissance, ce qui permet d'introduire des informations additionnelles de la charge ou des éléments de mesure du facteur de puissance. On propose aussi une amélioration de la stabilité de la méthode en incluant des mesures virtuelles de faible précision lorsque les réseaux ne sont pas 100% observables. Les modèles et les algorithmes ont été validés en utilisant la répartition de puissance (entrée : la puissance des charges, sorties : les valeurs de tension et de courant) comme le processus inverse de l'estimation d'état (entrée : mesures de tension et de courant, sortie : estimation de la charge). Les résultats démontrent une bonne précision numérique du modèle et une robustesse de l'algorithme. La performance de la résolution et la mesure de l'observabilité du réseau demeurent cependant une recherche importante à poursuivre.  ABSTRACT: This dissertation presents a new algorithm for the state estimation of meshed distribution networks using the unified approach of Distribution-System-State-Estimation with Modified-Augmented-Nodal-Analysis (DSSE-MANA). The main focus of this method is to estimate the load values, using the power and the power factor measurements separately. However, the proposed method is also applicable to the approaches of Load Flow and Load Allocation. The main contribution of this research is the demonstration that the method (DSSE-MANA) can estimate the state of meshed distribution networks. It also presents the integration of the power factor equations, which allows using additional information of the load or of the power factor measurement. It presents as well a stability improvement of the unified state estimation approach including virtual measurement of low precision when the networks aren't 100% observable.The models and algorithms are validated using the Load Flow (input: load power, output: current and voltage values) as the reverse process of state estimation (input: current and voltage measures, output: load power estimation). The tests cases have shown good numerical accuracy and robustness. The performance and the observability measure remain issues for further researches.


identifier: Kamara, W. (2013). Representation of Type 4 Wind Turbine Generator for Steady State Short-Circuit Calculations  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plusieurs impacts techniques sont associés à l'interconnexion des éoliennes au réseau électrique. Parmi eux, l'augmentation du niveau de court-circuit du réseau ainsi que son impact sur la coordination de protection a longtemps représenté un frein majeur à l'interconnexion de nouvelles centrales éoliennes au réseau, particulièrement pour les réseaux à moyenne tension [1]. Compte tenu de l'intérêt grandissant pour les énergies renouvelables, les logiciels de calcul de court-circuit utilisés à des fins de planification doivent permettre de mieux évaluer l'impact des centrales éoliennes sur le niveau de court-circuit du réseau auquel elles sont connectées. Malheureusement, très peu ont développé des modèles d'éoliennes à couplage électronique direct dans le domaine fréquentiel qui estiment adéquatement leur contribution au courant de défaut. La principale contribution de ce travail de recherche est le développement d'un modèle simple et précis d'éolienne à couplage électronique direct pour les calculs de court-circuit en régime permanent. Le modèle développé reproduit le comportement réel de l'éolienne en cas de défaut en modélisant adéquatement l'effet du convertisseur. Les données utilisées pour le modèle sont facilement accessibles aux ingénieurs de planification. L'autre contribution de ce travail de recherche est le développement d'un algorithme de court-circuit adapté pour prendre en charge le modèle d'éoliennes à couplage électronique direct proposé. Un algorithme de court-circuit basé sur l'analyse-nodale-augmentée modifiée (MANA) est résolu de manière itérative. L'algorithme est implémenté avec succès dans CYME, un logiciel commercial d'analyse des réseaux. Il permet de reproduire la contribution de l'éolienne au courant de défaut du réseau, y compris pour des réseaux complexes et débalancés. L'étude détaillée du comportement d'une éolienne à couplage électronique direct à l'aide du logiciel de transitoire électromagnétique EMTP-RV démontre que le modèle proposé reproduit fidèlement le comportement réel de l'éolienne en court-circuit.  Le modèle proposé est ensuite implémenté  dans le logiciel CYME 7.0 et validé pour différents scénarios en utilisant le réseau de distribution 25 kV de Fortis Alberta. La contribution au courant de défaut obtenue à partir du modèle proposé est comparée à celle obtenue à partir des modèles actuels de CYME.  ABSTRACT: Various technical impacts are associated to the interconnection of wind turbine generators to the grid. Among them, the increase of short-circuit levels along with its effect on the settings of protecting relays has long acted as an important inhibiting factor for the interconnection of new wind power plants to the grid. This is especially true at the medium voltage level where networks operate close to their short-circuit design value [1]. As renewable energies are progressively replacing traditional power generation sources, short-circuit studies need to adequately assess the impact of newly interconnected wind power plants on the fault level of the network. For planning and design purposes, short-circuit studies are usually performed using steady-state short-circuit programs. Unfortunately, very few have developed models of wind turbine generators that accurately estimate their fault contribution in the phase domain. In particular, no commercial fault-flow analysis program specifically addresses the modeling of inverter-based wind turbine generators which behavior is based on the inverter's characteristics rather than the generator's.  The main contribution of this research work is the development of a simplified and yet accurate model of full-scale converter based wind turbine generator, also called Type 4 wind turbine generator, for steady-state short-circuit calculations. The model reproduces the real behavior of the Type 4 wind turbine generator under fault conditions by correctly accounting for the effect of the full-scale converter. The data used for the model is easily accessible to planning engineers. An additional contribution of this research work is the development of a short-circuit algorithm adapted to support the proposed model of Type 4 wind-turbine generator. Short-circuit algorithm based on modified-augmented-nodal analysis (MANA) is solved iteratively to accommodate the proposed model.  The algorithm is successfully implemented in CYME 7.0, a commercial distribution system analysis program, to perform short-circuit calculations in multiphase complex unbalanced systems. Detailed study of the behavior of Type 4 wind turbine generator using electromagnetic type programs like EMTP-RV has assessed that the proposed model closely reproduces the real behavior of the wind turbine generator under steady-state fault conditions. The proposed model is then implemented in CYME 7.0 and validated for different fault scenarios using the Fortis Alberta 25 kV distribution system as benchmark.


identifier: Charasse, S. (2013). Outil de vérification in-situ pour le prototypage de systèmes électroniques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les travaux de ce mémoire s'inscrivent dans le cadre d'un projet de recherche appelé DreamWafer™. Le résultat visé est un produit à commercialiser sous le nom WaferBoard™, qui est une plateforme de prototypage rapide de systèmes électroniques visant à réduire leur temps de conception. Au cœur de cette plateforme se retrouve une surface dense de contacts reliés par un réseau d'interconnexions configurables. Pour créer un prototype, le concepteur n'a qu'à y déposer les puces de son système électronique et ces dernières seront dynamiquement interconnectées. D'abord, les tests et la validation d'un module du WaferBoard™ sont présentés. Il s'agit d'un assemblage de deux prototypes, appelé MiniWaferIC™, constitué de la surface de contacts et de son circuit d'alimentation et de configuration. Les travaux effectués ont permis d'identifier les caractéristiques électriques, des erreurs de conception ainsi que des problèmes d'assemblage et de fabrication. Un banc de test spécifique au MiniWaferIC™ a été mis en place, il a notamment permis de valider une fonctionnalité essentielle: la construction dynamique de chemins de configuration dans le prototype.  Cette fonctionnalité permet de configurer des interconnexions entre les contacts disponibles à la surface du MiniWaferIC™. Ensuite, pour que le prototype d'un concepteur puisse être validé sur le WaferBoard™, il est nécessaire d'avoir accès à un outil pour procéder à la vérification de systèmes électroniques. Une revue de littérature est proposée sur le sujet des méthodes de vérification pour les systèmes électroniques. Elle se concentre sur la vérification des circuits numériques et présente les limites et avantages de l'utilisation de solutions de prototypage. Enfin, il sera démontré qu'un outil de vérification, in-situ et reconfigurable, peut être directement placé sur le WaferBoard™. Étant ainsi le plus près possible des circuits intégrés ciblés, il est capable de fonctionner à plus haute fréquence et d'effectuer de meilleures mesures de délais. De plus, il est possible d'utiliser et de coupler plusieurs outils de vérification dans un large système pour augmenter la bande passante et l'observabilité. La preuve de concept présentée est une mise en œuvre sur circuit configurable (FPGA) qui est capable de contrôler ou d'observer jusqu'à 64 signaux à une fréquence de 156.25 MHz. Son architecture permet l'accès en parallèle aux signaux, diminuant ainsi le temps de vérification par un facteur de 32 par rapport à un accès sériel.  ABSTRACT: The research work performed as part of this master thesis targets the development of a product, the WaferBoard™, a rapid prototyping platform for electronic systems which allows reducing development time. This platform is based on a wafer scale integrated circuit that implements a configurable interconnect network and that is covered with a dense array of active contacts. To create a prototype, designers just have to put the chips that compose the target system in the prototyping platform that will detect pins locations of user integrated circuits and interconnect them dynamically to implement a user specified netlist. The first part of this thesis presents tests and verification of a key module of the WaferBoard™. This module is a combination of two modules called the PowerBlock™ and the MiniWaferIC™. It implements an array of active contacts, a configurable interconnect network, programmable power supply devices and related configuration circuits. The experimental work reported in this thesis confirms the functionality of all tested features of the MiniWaferIC™. A custom test bench has been set up to validate the module. Dynamic construction of JTAG configuration paths in the prototype is the main functionality that was validated. Once established, this scan chain is needed to configure interconnections between active contacts of the MiniWaferIC™. Once a user specified prototype system is implemented with the WaferBoard™, a validation method supported by suitable tool is needed. Before proposing such a method, a review of electronic system verification and validation methods is presented. The review focuses on digital circuit verification and validation methods and techniques. This review allows identifying limits of existing validation methods. A validation method that could take advantage of the WaferBoard™ is then proposed. This validation method and its supporting tools are advantageous as they are based on in-situ configurable logic. In-situ debug and validation circuits, being close to the integrated circuits of the user specified system, can run at higher frequencies and perform better delay measurements. In addition, it is possible to use and to couple multiple verification tools in a large system to increase bandwidth and observability. In a proof of concept that is presented, it is possible to control and observe up to 64 signals at 156.25 MHz. Its architecture featuring a parallel access to the signals decreases the verification time by a factor of 32 compared to a serial access.


identifier: Jemmali, A. (2013). Performance Evaluation and Analysis of Mimo Schemes in LTE Networks Environment  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse, nous proposons d'évaluer et d'analyser les performances des configurations radio à antennes multiples à l'émission et/ou la réception (MIMO) dans l'environnement des réseaux LTE (Long Term Evolution). Plus spécifiquement, on s'intéresse à la couche physique de l'interface radio OFDM-MIMO de ces réseaux. Après une introduction rapide aux réseaux LTE et aux techniques MIMO, on présente dans une première étape, une analyse théorique du taux d'erreur binaire en fonction du rapport signal sur bruit des deux principaux codes spatio-temporels de la norme LTE, à savoir le codage SFBC 21 (Space Frequency Block Coding) et le codage FSTD 42 (Frequency Switch Transmit Diversity). On développe les équations analytiques du taux d'erreur binaire de ces codes dans un canal à évanouissement de Rayleigh sans corrélation spatiale qui sont  par la suite comparées  à des valeurs obtenues par simulations Monte-Carlo. Dans une deuxième étape, on considère l'évaluation de la  capacité du canal résultant de l'utilisation de ces mêmes codes dans un canal à évanouissement de Rayleigh. Pour fin de comparaison, on propose par la suite d'évaluer par simulation leur débit effectif. Les résultats montrent que la capacité peut effectivement être presque atteinte en pratique. Le deuxième volet de cette thèse considère les performances des systèmes MIMO utilisant la sélection d'antennes. Nous utilisons la théorie d'ordre statistique pour développer des équations analytiques relatives au taux d'erreur binaire des systèmes avec sélection d'antennes du coté récepteur dans un canal d'évanouissement de Rayleigh sans corrélation spatiale. Afin de valider numériquement les résultats de notre analyse, un algorithme à sélection d'antenne au récepteur a été développé et utilisé en simulation. Dans un dernier temps, on évalue l'effet de la corrélation spatiale entre les antennes. L'étude est faite à partir de simulations et d'un modèle de corrélation spatiale basé sur le produit Kronecker de deux matrices de corrélation relatives respectivement à l'émission et à la réception.  ABSTRACT: This thesis considers both an analysis and a numerical evaluation of the performance of MIMO radio systems in the LTE network environment. More specifically we consider the physical layer of the OFDM-MIMO based radio interface. As a first step we present a theoretical analysis of the bit error rate of the two space-time codes adopted by the LTE norm, namely the SFBC 21 and FSTD 42 codes, as a function of the signal upon noise ratio. Analytical expressions are given for transmission over a Rayleigh channel without spatial correlation which are then compared with Monte-Carlo simulations. As a second step, we consider the capacity of the channel obtained by using these codes on a Rayleigh fading channel. Results show that simulated throughput almost reaches the capacity limit. As a different topic, this thesis considers also MIMO systems based on antenna selection. By using order statistics we develop analytical expressions for the error rate on a Rayleigh channel without antenna correlation. In order to validate our numerical results, an algorithm implementing antenna selection at the receiver has been developed and used in the simulations. As a last step the effect of antenna correlation is investigated through the use of simulations and a model of spatial antenna correlation based on the Kronecker product of two correlation matrices related to the transmitting and receiving elements of the MIMO scheme.


identifier: Savard, J.-D. (2013). Revue des méthodes évaluant l'impact de l'utilisation de l'eau sur la santé des écosystèmes en analyse du cycle de vie et proposition d'une approche intégratrice  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'Analyse du Cycle de Vie (ACV) est un outil issu du concept du développement durable qui permet l'évaluation des impacts environnementaux d'un produit sur toutes les étapes de son cycle de vie. Les informations qui sont données par l'ACV aident la prise de décision entre diverses alternatives rendant une fonction identique. Lors de l'étape d'évaluation des impacts reliés au cycle de vie des produits, plusieurs modèles de caractérisation sont utilisés dans l'objectif de couvrir les diverses voies d'impact environnementales. Ce projet s'inscrit dans le désir d'approfondir les capacités de modélisation pour la catégorie d'impact de l'utilisation de l'eau sur les écosystèmes. À l'aide d'une revue exhaustive des méthodes existantes couvrant des portions de la chaine de cause à effet pour cette catégorie d'impact, il a été possible d'identifier les hypothèses sous-jacentes à chacune d'elles. Un cadre méthodologique permettant la décomposition des modèles en facteurs et en indicateurs a été proposée afin de décortiquer les modèles et d'analyser leur structure, les unes par rapport aux autres, afin d'en déterminer la complémentarité et de déterminer dans quelle mesure il serait possible d'additionner les indicateurs de ces modèles de façon cohérente dans un modèle unificateur. L'analyse de la structure des facteurs de sort (FS) qui relient les indicateurs d'inventaire aux indicateurs de stress environnementaux, basée sur une comparaison des bilans hydrologiques et sur les analyses de cas spécifiques au Pays-Bas et sur le bassin versant du Nil, a permis de mettre en lumière dans quelle mesure les méthodes reliées à une consommation d'eau sont cohérentes entre elles. Sur ces bases, il a été identifié que certaines méthodes traitent des mêmes portions de la chaine de cause à effet avec des résultats différents et que certaines d'entre elles utilisent des raccourcis méthodologiques, amenant à s'interroger sur la fiabilité des résultats. Aussi, il a été mis en évidence que certaines voies reliant les indicateurs d'inventaires aux indicateurs de stress environnementaux ne sont pas couvertes. Une approche intégrée, couvrant chacune des voies identifiées, est proposée. Celle-ci devrait se baser sur un modèle hydrogéologique complet permettant de modéliser les flux selon les contextes locaux observés selon les bassins versants. Dans un deuxième temps, la comparaison des facteurs d'effet (FE) a permis d'identifier que les modèles caractérisant la consommation d'eau sont complémentaires pour les écosystèmes aquatiques (modèle développé par Hanafiah & al.) et de marais (modèle développé par Verones vi & al.), mais qu'il y a deux modèles redondants pour ce qui est de la voie couvrant les impacts reliés aux écosystèmes terrestres (modèles développé Van Zelm & al. et par Pfister & al.). Une analyse comparative des structures de ces deux derniers modèles expose leurs forces et leurs faiblesses et permet de montrer que le modèle de Van Zelm & al., qui respecte la chaine de cause à effet réelle, est plus approprié que celui de Pfister & al. qui prend des raccourcis méthodologiques qui conduisent à une surestimation systématique de l'impact. Le modèle de Van Zelm & al. présente cependant l'inconvénient de n'être transposable applicable que dans un contexte géographique limité présentement. Il a aussi été identifié qu'un modèle permettant de caractériser la voie d'impact relié à la salinisation des zones côtières devraient être développé et intégré à la chaine de cause à effet traitant de l'utilisation de l'eau sur les écosystèmes. Finalement, l'analyse des structures des indicateurs de dommages permet d'identifier des incompatibilités en cas d'agrégation des dommages au niveau des unités des compartiments et de la nature des espèces utilisées.  ABSTRACT: Life Cycle Assessment (LCA) is a tool taking its roots within the sustainable development concept. LCA is holds the capabilities to evaluate the environmental impacts of a product from cradle to grave. LCA's results provide information which allows decision making regarding different products having the same function. During the step evaluating the impacts linked to the life cycle of a product various characterization models are used in order to cover the related environmental impact pathways. The aim of this project is to increase the modeling capabilities for the impact category impact of water use on ecosystems. Based on a thorough review of the existing methods covering the portions of the cause effect chain of the impact of water on ecosystems, it was possible to identify the underlying hypothesis for each method. Methodological concepts where developed providing a way to decompose each method into factors and indicators in a way that it is possible to determine if the methods can be added coherently one to the other into a unified model. The fate factor (FF) structural analysis links the inventory and environmental stress indicators. Based both on a hydrological models comparison and study cases on the Netherlands and the Nile drainage basin showed if the methods are coherent altogether. It was identified that some methods cover the same portion of the cause-effect chain but are structurally different; some of them use methodological shortcuts which give us the possibility of being skeptic on the results' reliability. Also, it was discovered that some pathways linking inventory and environmental stress indicators are not covered by any method. Theses finds highlight the needs for an integrated approach covering every pathway and the necessity to use a unique and complete hydrological model having capabilities to provide under every geographical context results linking the inventories to the environmental stress indicators. Secondly, the comparison of the effect factors (EF) allowed the identification that they are complementary regarding impacts on aquatic (model developed by Hanafiah & al.) and wetland (model developed by Verones & al.) species. However, a redundancy exists for the impacts on terrestrial ecosystems (between the models of Van Zelm & al. and Pfister & al.). A comparison of the latter models provides information of their weaknesses and strengths in order to make a selection; Van Zelm & al.'s model seems more appropriate as it follows more adequately the real viii impact pathway but its applicability is restrained to a limited geographical context. Pfister & al.'s model is global but the its methodological shortcuts systematically lead to overestimation of the impacts. This exercise also provided insights about a missing link which would describe the impacts of water use on ecosystems due to saltwater instruction of coastal lands. Finally, the analysis of the structure of the damages indicators showed that they are incompatible because the compartment of reference is different for aquatic and terrestrial ecosystems and the nature of the species considered is different between the methods.


identifier: Rim, D. (2013). Weakly-Labeled Data and Identity-Normalization for Facial Image Analysis  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette  thèse  traite  de l'amélioration  de la reconnaissance  faciale et  de l'analyse de l'expression du visage en utilisant des sources d'informations  faibles. Les données étiquetées  sont  souvent  rares,  mais les données  non étiquetées  contiennent  souvent des informations  utiles  pour  l'apprentissage  d'un  modèle. Cette  thèse décrit deux exemples d'utilisation  de cette idée. Le premier  est  une  nouvelle  méthode pour  la  reconnaissance  faciale basée sur l'exploitation  de  données  étiquetées  faiblement  ou  bruyamment. Les données  non étiquetées peuvent être acquises d'une manière qui offre des caractéristiques supplémentaires. Ces caractéristiques,  tout  en  n'étant  pas  disponibles  pour  les données  étiquetées, peuvent encore être utiles avec un peu de prévoyance. Cette  thèse traite  de la combinaison d'un ensemble de données étiquetées pour la reconnaissance faciale avec des images des visages extraits  de vidéos sur YouTube et des images des visages obtenues à partir  d'un moteur  de recherche. Le moteur  de recherche web et le moteur  de recherche vidéo peuvent être considérés comme de classificateurs très faibles alternatifs qui fournissent des étiquettes faibles. En utilisant les résultats de ces deux types de requêtes de recherche comme des formes d'étiquettes faibles différents, une méthode robuste pour la classification peut être développée. Cette  méthode est  basée sur  des modèles graphiques,  mais  aussi incorporant une marge probabiliste.  Plus précisément, en utilisant un modèle inspiré par la variational  relevance vector machine (RVM), une alternative probabiliste  à la support  vector machine (SVM) est développée. Contrairement aux formulations précédentes de la RVM, le choix d'une probabilité a priori exponentielle  est introduit pour produire  une approximation de la pénalité L1. Les résultats expérimentaux où les étiquettes bruyantes  sont simulées, et les deux expériences distinctes  où les étiquettes bruyantes  de l'image et  les résultats de recherche vidéo en utilisant des noms comme les requêtes indiquent que l'information faible dans les étiquettes peut être exploitée avec succès. Puisque le modèle dépend fortement des méthodes noyau de régression clairsemées, ces méthodes sont examinées et discutées en détail. Plusieurs  algorithmes  différents utilisant les distributions a priori pour encourager les modèles clairsemés sont décrits en détail.  Des expériences sont montrées qui illustrent le comportement de chacune de ces distributions. Utilisés  en conjonction  avec la régression  logistique,  les effets de chaque distribution sur l'ajustement du modèle et la complexité du modèle sont montrés. Les extensions  aux  autres  méthodes d'apprentissage  machine  sont directes,  car l'approche est ancrée dans la probabilité bayésienne. Une expérience dans la prédiction structurée utilisant un conditional  random  field pour une tâche d'imagerie médicale est montrée pour illustrer comment ces distributions a priori peuvent être incorporées facilement à d'autres  tâches et peuvent donner de meilleurs résultats. Les données étiquetées peuvent également contenir  des sources faibles d'informations  qui ne peuvent pas nécessairement être utilisées pour un effet maximum.  Par exemple les ensembles de données d'images des visages pour les tâches tels que, l'animation  faciale contrôlée  par  les performances  des comédiens,  la reconnaissance  des émotions,  et la prédiction  des points  clés  ou les repères  du visage contiennent  souvent des étiquettes alternatives par rapport  à la tâche d'internet  principale. Dans les données de reconnaissance des émotions, par exemple, des étiquettes de l'émotion sont souvent rares. C'est peut-être parce que ces images sont extraites  d'une vidéo, dans laquelle seul un petit  segment représente l'étiquette de l'émotion. En conséquence, de nombreuses images de l'objet sont dans le même contexte en utilisant le même appareil photo ne sont pas utilisés. Toutefois, ces données peuvent être utilisées pour améliorer la capacité des techniques d'apprentissage  de généraliser pour des personnes nouvelles et pas encore vues en modélisant explicitement les variations  vues précédemment liées à l'identité et à l'expression. Une fois l'identité et de la variation  de l'expression sont séparées,  les approches  supervisées  simples peuvent  mieux généraliser  aux identités de nouveau.  Plus  précisément, dans cette  thèse, la modélisation probabiliste  de ces sources de variation est utilisée pour identité normaliser et des diverses représentations d'images faciales. Une variété d'expériences sont décrites dans laquelle la performance est constamment améliorée, incluant la reconnaissance  des émotions, les animations faciales contrôlées par des visages des comédiens sans marqueurs et le suivi des points clés sur des visages. Dans de nombreux cas dans des images faciales, des sources d'information supplémentaire peuvent être disponibles qui peuvent être utilisées pour améliorer les tâches d'intérêt. Cela comprend des étiquettes faibles qui sont prévues pendant la collecte des données, telles que la requête de recherche utilisée pour acquérir des données, ainsi que des informations d'identité dans le cas de plusieurs bases de données d'images expérimentales. Cette  thèse soutient en principal  que cette information  doit être utilisée et décrit les méthodes pour le faire en utilisant les outils de la probabilité.  ABSTRACT: This thesis deals with improving facial recognition and facial expression analysis using weak sources of information.  Labeled data  is often scarce, but  unlabeled  data often contains information which is helpful to learning a model. This thesis describes two examples of using this insight. The first is a novel method for face-recognition based on leveraging weak or noisily labeled data.   Unlabeled  data  can be acquired  in a way which provides  additional features.  These features,  while not being available for the labeled data,  may still be useful with some foresight.  This thesis discusses combining a labeled facial recognition dataset with face images extracted from videos on YouTube and face images returned from using a search engine.  The web search engine and the video search engine can be viewed as very weak alternative classifier which provide “weak labels.” Using the results from these two different types of search queries as forms of weak labels, a robust  method  for classification can be developed.   This  method  is based on graphical models, but  also encorporates  a probabilistic  margin.  More specifically, using a model inspired  by the variational  relevance vector machine (RVM),  a probabilistic  alternative to transductive support  vector machines (TSVM)  is further  developed. In contrast  to previous formulations  of RVMs, the choice of an Exponential hyperprior  is introduced  to produce an approximation to the L1  penalty.  Experimental  results  where noisy labels are simulated  and  separate  experiments  where noisy labels from image and video search results using names as queries both indicate  that weak label information  can be successfully leveraged. Since the model depends heavily on sparse kernel regression methods, these methods are reviewed and discussed in detail.  Several different sparse priors algorithms are described in detail.  Experiments  are shown which illustrate  the behavior  of each of these sparse priors.  Used in conjunction  with logistic regression, each sparsity  inducing prior is shown to have varying effects in terms of sparsity and model fit. Extending this to other machine learning methods is straight forward since it is grounded firmly in Bayesian  probability.   An experiment in structured prediction  using Conditional Random  Fields on a medical image task is shown to illustrate  how sparse priors can easily be incorporated  in other tasks, and can yield improved results.  Labeled data  may also contain  weak sources of information  that  may not necessarily be used to maximum  effect.  For example,  facial image datasets  for the tasks of performance driven facial animation,  emotion recognition, and facial key-point or landmark  prediction  often contain  alternative labels from the task at hand.  In emotion  recognition  data,  for example,  emotion  labels are  often  scarce.   This  may  be because these images are extracted  from a video, in which only a small segment depicts the emotion label.  As a result,  many images of the subject in the same setting using the same camera are unused. However, this  data  can be used to improve the  ability  of learning  techniques  to generalize to new and unseen individuals by explicitly modeling previously seen variations related  to identity  and expression.  Once identity  and expression variation  are separated,  simpler supervised approaches  can work quite well to generalize to unseen subjects.  More specifically, in this  thesis,  probabilistic  modeling of these sources of variation  is used to “identity-normalize” various facial image representations. A variety of experiments are described in which performance on emotion recognition, markerless performance-driven facial animation  and facial key-point tracking is consistently improved.   This  includes an algorithm  which shows how this  kind of normalization can be used for facial key-point localization. In many cases in facial images, sources of information  may be available that  can be used to improve tasks.  This includes weak labels which are provided during data gathering,  such as the search query used to acquire data,  as well as identity  information in the case of many experimental  image databases.   This thesis argues in main that  this  information  should be used and  describes methods  for doing so using the tools of probability.


identifier: Labelle, M.-A. (2013). Réduction de la production de boues activées  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les procédés biologiques par boues activées pour le traitement secondaire des eaux usées génèrent des quantités importantes de boues en excès. Plusieurs procédés biologiques, physiques et chimiques sont envisagés pour la réduction de la production de boues. Les procédés Cannibal® et d'ozonation des boues sont efficaces pour la réduction de la production de boues. Les mécanismes de réduction de la production de boues de ces procédés demeurent toutefois mal connus. Une meilleure compréhension des mécanismes de ces procédés permettrait d'optimiser leur conception et leur application. L'objectif général de cette thèse était de déterminer les mécanismes de réduction de la production de boues activées par les procédés opérés à des temps de rétention de boues (TRB) très élevés et d'ozonation des boues. La dégradabilité des matières particulaires non biodégradables a été considérée pour des TRB  conventionnels, élevés et très élevés et suite à l'ozonation des boues. Des essais de rétention complète des boues en bioréacteur à membrane (BRM) de taille démonstration alimenté par des eaux usées réelles, en alternance avec des périodes de famine, ont permis de déterminer les paramètres stoechiométriques et cinétiques associés à la production de boues sur une grande plage de taux de charge (food to microorganism ratio; F/M) et de TRB. Deux jeux de paramètres fréquemment employés en pratique pour la conception de centres de récupération des ressources en eaux (CRRE, le nouveau terme pour désigner les stations d'épuration STEP) en Amérique du Nord ont été comparés pour la calibration de la production de boues des essais à rétention complète en termes de demande chimique en oxygène (DCO), de matières volatiles en suspension (MVES) et de biomasse active (XH).  ABSTRACT: The secondary treatment of wastewaters by the activated sludge process generates large quantities of excess sludge. Many biological, physical and chemical processes are being studied to reduce excess sludge production. The Cannibal® and the sludge ozonation processes are two promising sludge reduction processes. The mechanisms involved in the sludge reduction by these processes remains not well understood. A better knowledge of the mechanisms involved in these processes would allow to improve their design and implementation. The general objective of this thesis was to determine the mechanisms for the reduction of excess sludge production from the activated sludge in processes operated at a very long sludge retention time (SRT) and from the sludge ozonation process. Complete sludge retention experiments were conducted in a demonstration scale membrane bioreactor (MBR) fed with a real municipal wastewater and subjected to growth and famine periods to determine the stoichiometric and kinetic parameters related to sludge production over wide-ranging loading rates (food to microorganism ratio; F/M) and SRTs. The default model parameter values (YH, bH and ƒ) from two well-accepted models were compared to determine which parameter set better fitted the COD, VSS and active biomasse accumulation. These two models were selected because of their broad application by practitioners in water resource recovery facilities (WRRFs, the new designation for wastewater treatment plant, WWTPs) design and very similar sludge production and oxygen demand predictions despite dissimilar default parameter values, but different active biomass proportions.


identifier: Faucher, J. (2013). Conception d'un système d'information pour soutenir l'analyse des impacts d'une nouvelle infrastructure de transport  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La construction et la mise en service d'un nouveau pont dans le cadre du parachevementdu corridor de l'autoroute 25, entraînent une modfication des comportements de mobilité de la population de la grande région de Montréal. Or, la quantfication des effets de la mise en place d'une telle infrastructure de transport sur la circulation et sur l'environnement général est un processus rarement entrepris, si bien que les impacts réels restent méconnus. Le décret gouvernemental autorisant la construction du pont impose de procéder à de tels travaux d'observation de ses effets sur difféerents aspects, le tout dans une approche longitudinale afin de tracer l'évolution de ces impacts. L'évaluation précise des conséquences de la mise en service du pont repose toutefois sur des quantités très importantes de données colligées non seulement aux abords de la nouvelle infrastructure, mais aussi sur d'autres infrastructures majeures de transport et à de nombreux autres points d'intérêt du territoire. La réalisation d'études nécessite donc un travail majeur d'organisation de l'information disponible afin d'offrir des assises solides sur lesquelles baser les analyses. L'objectif principal de ce projet est de créer un système d'information cohérent et fexible permettant de fusionner l'ensemble des données obtenues dans le cadre du mandat d'analyse de l'état de référence précédant la mise en service du nouveau pont. Les données présentant différents problèmes de qualité, celles-ci doivent dans un premier temps être documentées afin d'assurer la qualité et une standardisation de l'information. Cette standardisation est essentielle dans le but de réaliser une intégration de toutes les données obtenues. Suite à cette intégration, des travaux sommaires d'utilisation automatisée devraient permettre l'obtention rapide de résultats dans un format désiré qui permettra finalement de soutenir efficacement les analyses en plus d'assurer que la solution développée réponde aux besoins.  ABSTRACT: The construction and opening of a new bridge in the larger scope of the completion of the highway 25 corridor has effects on travelers behavior in the greater Montreal region. The quantification of the effects engendered by a new infrastructure is a process that is rarely done and the global influence of such a structure on traffoc and the environment is still calculated mostly through models and estimations. The government decree that authorized the building of the new bridge includes provisions to ensure that follow up studies be performed on a year by year basis to better understand the in uence of the infrastructure. These post-opening evaluations rely on large quantities of data that are accumulated on a number of locations close to the corridor of the highway but also on other major roads as well of other points of interest. The amount of data required to evaluate clearly the impacts of the new bridge leads to a need to organize and standardize the information clearly. The main objective of the project discussed in this memoir is to address this need for data organization through the development of a coherent and exible information system that will be able to integrate all the data gathered during what is now considered the reference state preceding the opening of the bridge. However, some problems arise as many of the obtained datasets have consistency and quality issue that require investigation and documentation processes to assure data quality and eventually allow the denition of standards applicable to all the available data. The integration of all the information is then to be followed by some basic automation work that serve as a proof of concept by generating material supporting the analysis of the impacts.


identifier: Renaud, S. (2013). Analyses sismiques des barrages-poids: effets de l'irrégularité de l'interface barrage-fondation sur la stabilité au glissement et de l'interaction fluide-structure sur l'amplification dynamique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le mémoire propose de nouvelles méthodologies pour réaliser deux types d'évaluations de la sécurité sismique d'un barrage-poids: dans un premier temps, des éléments innovants sont développés pour étudier le glissement du barrage occasionné par le comportement non-linéaire à l'interface barrage-fondation, dans un second temps, l'amplification de l'accélération sismique au sein d'un barrage-poids est caractérisée au moyen de la méthode des spectres de plancher, au regard des hypothèses considérées pour l'interaction fluide-structure. Les éléments d'interface spécialement conçus dans ce mémoire permettent au barrage de glisser et de se balancer au-dessus de sa fondation, tout en respectant le critère de rupture de Mohr-Coulomb, incluant les effets de la cohésion et de la résistance à la traction. La méthodologie correspondante est présentée de sorte à pouvoir être implémentée dans des logiciels commerciaux couramment utilisées par l'ingénieur en structures. Par la suite, les éléments développés sont utilisés pour étudier la sensibilité de la réponse sismique d'un barrage-poids au Québec à plusieurs hypothèses de modélisation de l'interface barrage-fondation. Les résultats des analyses sont examinés en terme de la répartition des contraintes,du facteur de sécurité au glissement, de la longueur de fissuration et du déplacement résiduel à l'interface barrage-fondation. Finalement, une discussion est proposée concernant le gain des analyses linéaires comparées aux méthodes d'analyse simplifiées, pour évaluer la sécurité sismique d'un barrage-poids.  ABSTRACT: This work proposes two new methodologies to perform seismic safety assessment of gravity-dams. First, special non-linear finite elements are developed to study the sliding of the dam due to non-linear behavior at the dam-rock interface. Secondly, seismic floor acceleration demands within gravity dams are analyzed using floor response spectra, taking into account various modeling assumptions of fluid-structure interaction. The special interface elements developed in this work allow the dam to slide and rock over its foundation while obeying Mohr-Coulomb failure criterium including cohesion and tensile strength at the interface. The methodology is presented so that the proposed interface elements can be efficiently implemented by practicing engineers in a commercial software. Subsequently, the developed interface elements are used to investigate the sensitivity of the seismic response of an existing gravity dam (located in Quebec) to various non-linear modeling assumptions. The gravity dam is subjected to various seismic inputs with horizontal and vertical components. The non-linear response of the dam is examined through stress distributions, sliding safety factors, cracking lengths and residual displacements at the dam-rock interface. Finally, a discussion comparing non-linear analyses to simplified methodologies to assess the safety of a gravity dam is provided.


identifier: Montecinos Mery, J. C. (2014). Stochastic Bilevel Models for Revenue Management in the Hotel Industry  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La Gestion du Revenu consiste à maximiser le revenu des compagnies. Cette technique est pratiquée, entre autres, dans les secteurs de l'aéronautique, des télécommunications et de l'hôtellerie. Dans cette thèse, nous développons et résolvons un modèle stochastique biniveau pour l'industrie hôtelière qui est considérée, de nos jours, comme une industrie mûre caractérisée par une forte compétition et une gestion des inventaires compliquée. Nous avons remarqué que durant ces trente dernières années, la recherche dans le domaine de la gestion du revenu dans l'industrie hôtelière n'a pas proposé ou résolu de modèles qui considèrent simultanément l'affectation des inventaires, le prix, la longueur du séjour, la qualité de service et l'incertitude. Par conséquent, le but de cette thèse est de développer un nouveau modèle de gestion du revenu dans l'industrie hôtelière qui permet aux gestionnaires d'hôtels de prendre en compte certaines données pertinentes pour la prise des décisions relatives à la tarification et l'affectation des inventaires en se basant sur une meilleure compréhension du comportement des clients et de l'incertitude du marché. Nous nous inspirons pour cela des modèles biniveau de tarification et des modèles stochastiques à deux étapes. Dans le cas déterministe, le meneur (leader) de l'industrie essaie, au niveau supérieur, de fixer les prix de ses inventaires de façon à maximiser ses revenus. Puis, les usagers essaient, au niveau inférieur, de minimiser leurs dépenses en fonction des différentes alternatives. Dans le but d'introduire le facteur de l'incertitude, nous avons développé un modèle stochastique à deux étapes: à la première étape, le meneur, comme dans le cas déterministe, fixe ses prix en maximisant ses profits. Puis, chaque groupe d'utilisateurs choisit, au niveau inférieur, les inventaires les moins chers tout en considérant les attributs qu'ils ont préalablement définis (distance et qualité de service). À la seconde étape, nous introduisons de l'incertitude sur le prix fixé par les concurrents ainsi que sur la demande. En réaction, le meneur doit ajuster ses prix et ses affectations d'inventaires, ce qui implique des changements dans les distributions des groupes d'usagers aussi. Ces deux étapes sont liées par des contraintes absolues et proportionnelles relatives à la variation du prix de chaque inventaire. Comme ce modèle est un modèle stochastique biniveau à deux étapes, il hérite la propriété NP-Difficile du modèle biniveau déterministe. Dans ce modèle, nous considérons que l'incertitude peut être modélisée en utilisant des vecteurs aléatoires qui suivent une certaine distribution de probabilité connue. Cette information peut provenir des données historiques ou d'une connaissance empirique de la fonction de masse qui représente fidèlement la vraie distribution. Nous supposons que les vecteurs aléatoires ont un nombre fini de réalisations qui, dans notre cas, correspondent aux scénarios. Afin de résoudre notre modèle, nous avons développé non seulement des stratégies exactes, mais aussi des heuristiques. La stratégie exacte consiste à transformer le problème de base en un problème MIP (Mixed Integer Program), qui est standard pour ce type de problème. La principale réussite en termes d'heuristiques est le développement d'une heuristique gloutonne capable de résoudre le problème de manière efficace. Cette heuristique consiste à copier les prix des concurrents et à ré-optimiser en faveur du meneur. Pour continuer avec une recherche globale, le processus d'exploration a été suivi par un problème MIP restreint qui se base sur la solution fournie par notre heuristique. Finalement, la stratégie exacte supportée par les heuristiques consiste à ajouter au problème MIP original une heuristique qui cherche les solutions entières, par la procédure d'évaluation et séparation progressive (B&B), et qui permet d'ajuster directement la borne inférieure. Une fois que les heuristiques et le modèle ont été développés, nous avons créé un processus de génération de données. Ce processus cherche non seulement à générer des instances réalistes pour l'industrie, mais aussi à éviter les situations atypiques. Pour cela, nous avons modélisé la fluctuation du prix et de la demande en utilisant des variables aléatoires uniformes, et nous avons développé un processus analytique qui permet d'ignorer rapidement les situations atypiques. Les résultats numériques sont présentés pour les trois stratégies précédentes. Le résultat le plus satisfaisant est celui basé sur notre heuristique complétée par un problème MIP restreint. De plus, les résultats obtenus sont en accord avec le comportement économique. Selon que le meneur a ou n'a pas d'avantage compétitif en ce qui concerne la localisation des hôtels, il aura un comportement plus ou moins prédateur face à ses concurrents. Dans le cas où il a un avantage compétitif, le meneur cherchera à imiter le prix de ses concurrents afin d'attirer les groupes d'usagers offrant les revenus les plus importants. Lorsque le meneur n'est pas dans une position avantageuse, il fixera ses prix plus bas que ses concurrents pour attirer les groupes d'utilisateurs qui sont sensibles à la distance, mais aussi ceux qui sont plus sensibles à la qualité du service. Pour cela, il devra relocaliser ses inventaires en ignorant les groupes d'usagers qui lui procureront de faibles revenus. Finalement, un certain nombre d'analyses de sensibilité ont été réalisées pour évaluer la performance du modèle. Premièrement, nous avons introduit la stochasticité simultanément sur le prix et la demande. Ensuite, nous avons complexifié le modèle en variant la capacité de l'industrie. Notre heuristique a permis d'obtenir un résultat conforme au comportement économique espéré. Par conséquent, les principales contributions de cette recherche sont: l'élaboration d'un modèle complexe pour la gestion des revenus hôteliers, la résolution de grands et de petits exemples en un temps de calcul raisonnable, l'obtention de bons résultats grâce à l'utilisation de notre heuristique (même si nous ne pouvons pas garantir qu'il s'agit de la solution optimale), et l'offre de résultats utiles pour la prise de décision dans l'industrie hôtelière.  ABSTRACT: Revenue Management consists in maximizing a company's revenue. This technique is applied in the airline, telecommunications, and hospitality industry, among others. In this thesis, we develop and solve a stochastic bilevel model for the hotel industry, which is nowadays considered as a mature industry marked by an intense competition and by a complex inventory management. We noticed that over the last 30 years, Hotel Revenue Management research has not proposed and solved models that consider simultaneously inventory assignments, price, length of stay, quality of service and uncertainty. Therefore, the purpose of this doctoral research is to develop a new model for Hotel Revenue Management that is inspired from bilevel pricing models and from the Two-stage Stochastic Models and that allows hotel's managers to account with useful data for pricing decision and assignment allocation, based on a better understanding of consumers' behavior and market uncertainty. In a deterministic model, the leader of the industry tries to set prices to its inventories, maximizing its revenue in the upper level, and users choose the lowest cumulative expenditures among available alternatives, at the lower level. In order to introduce uncertainty information, we have developed a two-stage model: in the first stage the leader set its prices with the goal of maximizing profits in the upper level, and each users' group chooses the least expensive inventory considering the attributes previously defined by them (distance and quality of service), at the lower level. In the second stage, we introduce uncertain information about competitors' prices and demand, and thus the leader must set again its prices and inventory allocations, which also implies changes in users' group distributions. The stages are tied by price variation in each inventory through an absolute and proportional constraint. It is difficult to solve the bilevel programming problem. The non-convexity usually present in bilevel programming results in the complexity of the solution algorithm. Even a very simple bilevel problem is still a NP-hard problem The NP-hard property of deteministic bilevel programs is also present in our two-stage stochastic bilevel model. We consider that uncertainty can be modeled with the support of random vectors that follow a known distribution function. This information might come from historical data or from the empirical knowledge of the distribution function, and that is close to the true unknown uncertainty. We assume that the random vectors have a finite number of realizations, which in our case corresponds to the scenarios. In order to solve our model, we developed not only exact strategies but also heuristics. The exact strategy consisted in transforming the basic problem into a MIP problem using the KKT conditions (or optimality conditions), through the use of big constants and auxiliary binary variables. The main achievement in terms of heuristics is the development of our greedy heuristic, which was able to solve the problem efficiently. This heuristic consisted in copying competitors' prices and re-optimizing in favor of the leader. To keep a global search, the exploration process was followed by a MIP restricted problem that took as origin the solution provided by our heuristic. Finally, the exact strategy supported by heuristics consisted in adding to the MIP original problem a heuristic that looks for integer solutions directly in the branch and bound (B&B) tree. Once the model and the heuristics were developed, a data generation process was designed. The procedure sought not only to generate realistic instances for the industry but also to avoid unfeasible situations. To do this, we modeled price and demand fluctuations through the use of uniform random variables and we developed an analytical process that allowed us to disregard quickly atypical situations. The numerical results are presented for the two previous strategies, being the most performing the one based on our heuristic complemented with the MIP restricted problem. Moreover, the obtained results performed as expected in terms of its economic behavior. Depending on having or not a competitive advantage with respect to the location of its hotels, the leader has a more or less predatory behavior with its competition. In a situation under a competitive advantage, the leader seeks to imitate the price of its competitors in order to attract users' groups that provide the highest revenue. If the leader is not in an advantageous position, it set lower prices than the competition to compensate users' groups more sensible to distance. At the same time, it set competitive prices to attract users' groups that are more sensitive to quality of service than to distance, which implies that the leader reallocates its inventories and disregards users' groups providing lower revenues. Finally, a certain number of sensitivity analyzes were conducted to evaluate the performance of the model. First, we introduced stochasticity on price and demand simultaneously and then, we added more complexity by varying the capacity of the industry. The heuristic was able to obtain a result, which was again behaving economically as expected. Therefore, the main contributions of this research are to provide a elaborated model for Hotel Revenu Management, to solve small and large instances in a reasonable computing time, to obtain good results through the use of our heuristic (although we cannot assure it is the optimal solution), and to provide very useful results such as: pricing information, users group distribution in inventories, users group revenue contributions, sensitivity to capacity parameters, for decision making in the hotel industry.


identifier: D'Aronco, M. (2013). Behaviour of Double and Triple Vertical Rows of Bolts Shear Tab Connections and Weld Retrofits  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les assemblages par plaque de cisaillement sont une solution simple et efficace et économique de réaliser les assemblages de poutre-à-poutre et de poutre-à-colonne. La méthode de conception actuelle pour ce type d'assemblages présente dans le Manuel de la construction en acier de l'ICCA 2010 est basée sur des recherches qui ont été conduites il y a de nombreuses années et qui s'avèrent dépassées. D'ailleurs, cette méthode de conception n'est pas applicable pour les assemblages à plaque de cisaillement comportant plus d'une rangée verticale de boulons. Dans cette optique, une méthode de conception permettant des assemblages d'une géométrique ayant jusqu'à trois rangées verticales de boulons est suggérée pour l'utilisation au Canada. Une série de dix essais pleine grandeur a été réalisée afin d'approfondir les connaissances sur le comportement des assemblages avec plaques de cisaillement comportant deux ou trois rangées verticales de boulons ainsi que les réparations par soudure de chantier. Huit de ces essais étaient des connexions avec deux ou trois rangées verticales de boulons, quatre de chaque type, desquels deux ont été réalisés avec une condition de support rigide et six avec une condition de support flexible. Les deux essais restants étaient des reproductions de réparation d'assemblages par soudure au chantier, ces essais étant réalisés pour analyser le comportement et la ductilité offerte par ce type d'assemblage fréquemment utilisés sur en chantier. Les essais réalisés sur les assemblages par réparation au chantier ont démontré que ce type de connexion possède une ductilité suffisant pour accommoder la demande en rotation et en déformation de l'assemblage en plus de résister à un effort tranchant similaire à leurs équivalents boulonnés.  ABSTRACT: Shear tab connections are one of the most cost efficient and time saving connection methods used throughout the steel industry. The current design procedure for single-plate shear connections of the 2010 CISC Handbook of Steel Construction is based on research conducteddecades ago and is found to be outdated. This method is also not applicable to shear tab connection configurations of multiple vertical rows of bolts. Thus, an updated design method applicable to connections up to three vertical rows of bolts is proposed for use in Canada. A series of ten full-scale experiments were conducted in order to deepen the knowledge and knowhow of the behavior of shear tab connections detailed with double and triple vertical lines of bolts and their welded retrofit counterparts. Eight of these full-scale experiments were double or triple vertical rows of bolt connections, four of each, of which two were carried out on rigid supports and six on flexible supports. The remaining two tests were full-scale weld retrofit shear tab connection specimens without bolts carried out on rigid supports. These tests were performed to examine the ductility of this type of connection and their shear resistance since these are often performed on construction sites.


identifier: Trigui, A. (2014). Asservissement de l'énergie inductive transmise aux implants électroniques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire concerne le domaine d'alimentation énergétique des implants médicaux électroniques (IME). L'alimentation des IME par couplage inductif a toujours été appréciée pour sa biocompatibilité et sa capacité à transmettre une quantité d'énergie suffisante aux implants électroniques. Bien que cette méthode fût introduite il y a longtemps, plusieurs défis restent à relever. Le défi majeur est la sensibilité de l'efficacité du transfert d'énergie à la variation de certains paramètres du lien comme le facteur de couplage entre les bobines, la charge du côté récepteur et l'inductance des bobines. Une variation de l'un de ces paramètres est en mesure d'altérer la fréquence de résonance primaire et réduire en conséquence la quantité d'énergie transférée vers l'IME. Dans ce contexte, nous présentons une nouvelle technique pour compenser la variation des paramètres du lien inductif. Elle permet de maintenir l'état de résonance dans le transmetteur et d'assurer une meilleure transmission d'énergie en dépit de ces variations. Un transmetteur d'énergie inductive asservi est alors proposé. Ce système est transportable et est alimenté par des batteries rechargeables. Il est composé d'un transmetteur d'énergie inductive classique et d'une boucle d'asservissement. Le transmetteur classique émet un champ inductif (ou champ magnétique alternatif) grâce à un oscillateur à quartz, un amplificateur de puissance (AP) de classe E et un circuit résonant primaire constitué d'un condensateur et d'une bobine d'émission. La boucle d'asservissement, quant à elle, sert à compenser les variations des paramètres du lien capables d'altérer la fréquence de résonance du circuit primaire. La boucle comporte principalement un bloc de détection de la tension aux bornes de la bobine d'émission (image de la puissance à transférer vers l'IME) et un micro moteur pas-à-pas à haute résolution qui agit sur le condensateur de résonance primaire et indirectement sur la fréquence de résonance. Le système proposé utilise une fréquence de fonctionnement de 13,56 MHz réservée aux applications industrielles, scientifiques et médicales (ISM).  ABSTRACT: This Master thesis deals with energy transfer systems dedicated to electronic medical implants (EMI). Powering EMIs by inductive link has always been prized for its biocompatibility and ability to transmit appropriate energy to electronic implants. Although this method was introduced a long time ago, several challenges still remain. The main challenge is the sensitivity of the energy transfer efficiency to the variation of some link parameters, such as the coupling factor between the coils, the load on the receiver side, and the coils inductances. A variation of any of these parameters is able to alter the primary resonant frequency and consequently reduce the amount of energy transferred to the EMI. In this context, we present a new method to compensate for variations of the inductive link parameters. This method maintains the resonant state in the transmitter and therefore ensures better energy transmission despite these variations. A controlled inductive power transmitter is then proposed.  This system is portable and is powered by rechargeable batteries. It is composed of a conventional inductive energy transmitter and a feedback loop. The conventional transmitter emits an inductive field (or AC magnetic field) using a crystal oscillator, a class E power amplifier (PA) and a resonant primary circuit. The control loop is in turn used to compensate for the variations of the link parameters which are able to alter the resonant frequency of the primary circuit. The loop includes mainly a primary coil voltage detector (for sensing the power transferred to the EMI) and a high resolution micro stepper motor which controls the resonant capacitor and indirectly the primary resonance frequency. The proposed system uses an operating frequency of 13.56 MHz reserved for industrial, scientific and medical (ISM) applications. This frequency offers as well a good compromise between compatibility with the biological environment and the transmission range. Given that the proposed system is located outside the human body and that the class E amplifier generates a fairly high power, the prototype was performed on a printed circuit board using commercial discrete components.


identifier: Ouellette, J.-P. (2013). Sélection, étalonnage et orientation critique des secousses sismiques bidirectionnelles pour l'analyse des bâtiments situés dans l'Est du Canada  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'analyse et la conception parasismique de bâtiments multiétagés est une étape cruciale pour les structures situées dans l'est du Canada. En effet, la présence d'une zone de sismicité modérée dans l'est du Canada combinée avec une densité importante de population et la présence de structures vulnérables en fait une des zones les plus à risque au niveau sismique. Dans cette optique, l'édition 2010 du Code National du Bâtiment prescrit les différentes règles permettant de prendre adéquatement en considération les effets sismiques. Or, de par leur nature aléatoire, les secousses sont généralement, pour l'est du Canada, orientées arbitrairement (puisqu'il est impossible de déterminer les directions pour les failles tectoniques) et présentent des composantes dans plusieurs directions. Le CNB 2010 utilise une règle de combinaison empirique pour représenter les effets bidirectionnels dans le plan horizontal. Un second facteur à prendre en considération est l'angle d'application des secousses par rapport au système de résistance aux forces latérales du bâtiment considéré. Plusieurs méthodes ont été proposées dans la littérature afin de remplacer la méthode de ombinaison spatiale 100%-30%, recommandée dans le CNB 2010, qui, selon certains, est non adéquate. Les différentes méthodes dépendent notamment du type d'analyse (spectrale, pseudostatique ou temporelle) réalisée. Pour les analyses modales du spectre de réponse, deux techniques semblent émerger dans la littérature, soit les techniques SRSS (racine carrée de la somme des carrés) et la méthode CQC3 (complete quadratic combination), qui utilise les corrélations des contributions spatiale des analyses réalisées dans deux directions perpendiculaires.  ABSTRACT: The seismic analysis of multi-storey buildings is a crucial step in designing structures located in Eastern Canada. Indeed, this area of moderate seismicity combined with a high population density makes it one of the most at risk across Canada. In this context, the 2010 edition of the National Building Code prescribes different rules to adequately take into account seismic effects on structures. However, due to their random nature, earthquakes in Eastern Canada are usually randomly oriented (since it is impossible to determine directions for the active tectonic faults) and have seismic components in several directions. The NBCC 2010 uses an empirical combination rule to represent the bidirectional effects in the horizontal plane (the 100%-30% rule). Another factor to consider while conducting seismic analyses is the angle of application of the seismic loads to obtain a good approximation of the maximum internal forces induced in different structural elements. Several other methods have been proposed in the literature to replace the 100 % - 30 % method that is presently used in the NBCC 2010, which some claim is not adequate. The different methods depend in particular on the type of analysis performed. For spectral analysis, two techniques seem to emerge in the literature: the SRSS method (square root of the sum of squares) and CQC3 method, which uses the modal cross correlation coefficients obtained from analysis performed in two perpendicular directions.


identifier: Kamrani, E. (2014). On-Chip Integrated Functional Near Infra-Red Spectroscopy (fNIRS) Photoreceiver for Portable Brain Imaging  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'imagerie cérébrale fonctionnelle utilisant la Spectroscopie Fonctionnelle Proche-Infrarouge (SFPI) propose un outil portatif et non invasif de surveillance de l'oxygénation du sang. SFPI est une technique de haute résolution temporelle non invasive, sûr, peu intrusive en temps réel et pour l'imagerie cérébrale à long terme. Il permet de détecter des signaux hémodynamiques à la fois rapides et neuronaux ou lents. Outre les avantages importants des systèmes SFPI, ils souffrent encore de quelques inconvénients, notamment d'une faible résolution spatiale, d'un bruit de niveau modérément élevé et d'une grande sensibilité au mouvement. Afin de surmonter les limites des systèmes actuellement disponibles de SFPI non-portables, dans cette thèse, nous en avons introduit une nouvelle de faible puissance, miniaturisée sur une puce photodétecteur frontal destinée à des systèmes de SFPI portables. Elle contient du silicium photodiode à avalanche (SiAPD), un amplificateur de transimpédance (TIA), et « Quench-Reset », circuits mis en oeuvre en utilisant les technologies CMOS standards pour fonctionner dans les deux modes : linéaire et Geiger. Ainsi, elle peut être appliquée pour les deux fNIRS : en onde continue (CW- SFPI) et pour des applications de comptage de photon unique. Plusieurs SiAPDs ont été mises en oeuvre dans de nouvelles structures et formes (rectangulaires, octogonales, double APDs, imbriquées, netted, quadratiques et hexadecagonal) en utilisant différentes techniques de prévention de la dégradation de bord prématurée. Les principales caractéristiques des SiAPDs sont validées et l'impact de chaque paramètre ainsi que les simulateurs de l'appareil (TCAD, COMSOL, etc) ont été étudiés sur la base de la simulation et de mesure des résultats. Proposées SiAPDs techniques d'exposition avec un gain de grande avalanche, tension faible ventilation et une grande efficacité de détection des photons dans plus de faibles taux de comptage sombres. Trois nouveaux produits à haut gain, bande passante (GBW) et à faible bruit TIA sont introduits basés sur le concept de gain distribué, d'amplificateur logarithmique et sur le rejet automatique du bruit pour être appliqué en mode de fonctionnement linéaire. Le TIA proposé offre une faible consommation, un gain de haute transimpédance, une bande passante ajustable et un très faible bruit d'entrée et de sortie. Le nouveau circuit mixte trempe-reset (MQC) et un MQC contrôlable (CMQC) frontaux offrent une faible puissance, une haute vitesse de comptage de photons avec un commandable de temps de hold-off et temps de réinitialiser. La première intégration sur puce de SiAPDs avec TIA et Photon circuit de comptage a été démontrée et montre une amélioration de l'efficacité de la photodétection, spécialement en ce qui concerne la sensibilité, la consommation d'énergie et le rapport signal sur bruit.  ABSTRACT: Optical brain imaging using functional near infra-red spectroscopy (fNIRS) offers a direct and noninvasive tool for monitoring of blood oxygenation. fNIRS is a noninvasive, safe, minimally intrusive, and high temporal-resolution technique for real-time and long-term brain imaging. It allows detecting both fast-neuronal and slow-hemodynamic signals. Besides the significant advantages of fNIRS systems, they still suffer from few drawbacks including low spatial- resolution, moderately high-level noise and high-sensitivity to movement. In order to overcome the limitations of currently available non-portable fNIRS systems, we have introduced a new low-power, miniaturized on-chip photodetector front-end intended for portable fNIRS systems. It includes silicon avalanche photodiode (SiAPD), Transimpedance amplifier (TIA), and Quench- Reset circuitry implemented using standard CMOS technologies to operate in both linear and Geiger modes. So it can be applied for both continuous-wave fNIRS (CW-fNIRS) and also single-photon counting applications. Several SiAPDs have been implemented in novel structures and shapes (Rectangular, Octagonal, Dual, Nested, Netted, Quadratic and Hexadecagonal) using different premature edge breakdown prevention techniques. The main characteristics of the SiAPDs are validated and the impact of each parameter and the device simulators (TCAD, COMSOL, etc.) have been studied based on the simulation and measurement results. Proposed techniques exhibit SiAPDs with high avalanche-gain (up to 119), low breakdown-voltage (around 12V) and high photon-detection efficiency (up to 72% in NIR region) in additional to a low dark- count rate (down to 30Hz at 1V excess bias voltage). Three new high gain-bandwidth product (GBW) and low-noise TIAs are introduced and implemented based on distributed-gain concept, logarithmic-amplification and automatic noise-rejection and have been applied in linear-mode of operation. The implemented TIAs offer a power-consumption around 0.4 mW, transimpedance gain of 169 dBΩ, and input-output current/voltage noises in fA/pV range accompanied with ability to tune the gain, bandwidth and power-consumption in a wide range. The implemented mixed quench-reset circuit (MQC) and controllable MQC (CMQC) front-ends offer a quenchtime of 10ns, a maximum power-consumption of 0.4 mW, with a controllable hold-off and resettimes. The on-chip integration of SiAPDs with TIA and photon-counting circuitries has been demonstrated showing improvement of the photodetection-efficiency, specially regarding to the sensitivity, power-consumption and signal-to-noise ratio (SNR) characteristics.