identifier: Asselin, M.-H. (2020). Évaluation de la performance sismique bidirectionnelle des piles de pont rectangulaires au Québec  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire étudie le comportement sismique des piles de pont rectangulaires en béton armé soumises à des sollicitations sismiques bidirectionnelles. Les effets de l'angle d'incidence des tremblements de terre sur la réponse dynamique des piles et sur leur performance sismique sont notamment étudiés. D'abord, une analyse comparative des méthodes de modélisation de piles par éléments de fibres est réalisée. Les méthodes de modélisation par éléments de fibres basées sur la force (méthode de flexibilité) et sur les déplacements (méthode de rigidité) sont détaillées et comparées. La principale différence entre les deux méthodes est que la méthode de flexibilité permet de satisfaire l'équilibre des forces en tout point alors que l'équilibre est satisfait au niveau global seulement pour la méthode de rigidité. Pour une géométrie régulière dans le domaine linéaire, les deux méthodes conduisent aux mêmes résultats. Ce n'est pas le cas dans le domaine non-linéaire, car la courbure des éléments basés sur la force n'est pas obligatoirement linéaire, contrairement à celle des éléments basés sur les déplacements. Une étude de cas simple réalisée à l'aide du logiciel SeismoStruct permet de réaliser une comparaison préliminaire des deux méthodes de modélisation. Cette étude comparative montre que les deux méthodes de modélisation peuvent reproduire adéquatement l'enveloppe d'une courbe d'hystérésis force-déplacement d'une colonne soumise à un chargement cyclique. Un seul élément basé sur la force avec plusieurs points d'intégration est requis pour la méthode de flexibilité alors que plusieurs éléments basés sur les déplacements sont requis pour la méthode de rigidité  ABSTRACT: The main objective of this research project was to assess the influence of the incident angle of ground motions on the dynamic response of rectangular bridge piers and the evaluation of their seismic performance. First, a comparative analysis of two fibre element modelling approaches was carried out. Modelling approaches using force-based and displacement-based fibre elements were reviewed and the obtained results were compared. A major difference between both approaches is that force equilibrium is achieved at local level when force-based elements are used, while it is only achieved at global level for displacement-based elements. Both modelling approaches give the same results for linear analyses. For non-linear analyses,the curvatures obtained from displacement-based elements are as expected linear unlike those associated with force-based elements. A preliminary comparison of force-based and displacement-based elements was also carried out. This simple case study showed that both approaches can be used to reproduce the envelope of force-displacement hysteresis curves of a square column subjected to cyclic loading. In this case, one force-based element with multiple integration points was sufficient to ensure appropriate results, while multiple displacement-Based elements were required.


identifier: Lotfi, S. (2020). Stochastic First and Second Order Optimization Methods for Machine Learning  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de ce travail est de proposer des méthodes d'optimisation du premier et deuxième ordre pour le contexte spécifique de l'apprentissage automatique et l'optimisation à grande échelle. Notre point de départ est le travail de recherche de Tiphaine Bonniot de Ruisselet, avec Prof. Dominique Orban, à l'intersection de l'optimisation déterministe et stochastique sans contraintes. Pour la première partie de notre travail, nous exploitons les méthodes de région de confiance afin de pouvoir définir un pas d'optimisation adaptatif. Nous utilisons aussi une méthode d'échantillonage adaptatif afin de réduire la variance des estimations du gradient au cours de l'optimisation. Plus précisément, nous utilisons un test stochastique afin de marquer la transition entre les deux phases d'optimisation stochastique suivantes : • La première phase est une phase de convergence vers une région d'intérêt, où se trouve potentiellement un optimum local ou global. Nous souhaitons que cette phase soit la plus courte possible, mais aussi qu'elle mène à une région de convergence promet-teuse. Donc, durant cette phase, nous utilisons un pas d'optimisation adaptatif en nous basant sur une méthode stochastique de région de confiance, tandis que la taille d'échantillonage reste fixe. • La deuxième phase est une phase de convergence vers un optimum local ou global dans la région d'intérêt. Durant cette phase, nous choisissons de réduire la variance des estimations du gradient pour assurer une convergence rapide, mais nous utilisons un pas d'optimisation strictement décroissant pour assurer la convergence globale. Ainsi, nous arrivons non seulement à définir une démarche de passage du cas déterministe au cas stochastique pour ce type de méthodes, mais nous réussissons également à proposer un nouvel algorithme adaptatif dont les performances sont prometteuses. Quant aux méthodes de deuxième ordre, nous proposons une variante de l'algorithme BFGS stochastique tronqué à mémoire limitée. Nous développons une heuristique pour contrôler les valeurs propres de l'estimation de la matrice hessienne. Cela permet d'avoir une meilleure performance pour les problèmes où cette approximation devient mal-conditionnée au cours de l'optimisation. Nous proposons également de combiner cet algorithme avec une méthode de réduction de variance afin d'améliorer la qualité de l'estimation de courbature obtenue. Nous prouvons que notre algorithme converge vers un point stationnaire. De plus, nous montrons empiriquement que le contrôle des bornes sur les valeurs propres de l'approximation de la matrice hessienne rend l'algorithme plus stable et robuste face aux problèmes mal-conditionnés.  ABSTRACT: In this work, we explore promising research directions to improve upon existing first-, and second-order optimization algorithms in both deterministic and stochastic settings. Our starting point is the work developed by Tiphaine Bonniot de Ruisselet and Prof. Dominique Orban at the intersection of unconstrained deterministic and stochastic optimization. As for first-order optimization methods, we first define a framework to transform a semi-deterministic trust-region method, that takes exact function values and inexact gradient estimates, to a fully stochastic optimization algorithm that is adapted to the context of machine learning. Then, we go a step further to propose a novel first-order optimization algorithm that exploits the two-phase nature of stochastic optimization. The first phase is a global convergence phase. We would like to speed up the algorithm during this phase and converge to a region of interest that contains a good local or global optimum, while allowing some noise in the estimates which helps to explore the optimization landscape. Therefore, we propose to use a trust-region method during this phase to define the step size adaptively, allowing it to grow and shrink as needed. In the second phase, the objective is to converge to a specific optimum in the region of interest identified in the first phase. During this phase, we need to reduce the variance of the updates in order to improve their quality and converge fast. Hence, we propose to use adaptive sampling with a strictly decreasing step size in order to guarantee the overall convergence. Our work enables us to define a generic framework for adapting trust-region methods to the stochastic setting. We also demonstrate that our algorithm is competitive for machine learning problems. For second-order methods, we propose a new version of a stochastic damped L-BFGS method that is more robust on ill-conditioned problems. First, we prove that the eigenvalues of the Hessian approximation are bounded, using a less restrictive assumption compared to related works. Then we harness the potential of using these bounds to control the quality of the Hessian approximation. We prove that our algorithm has appealing theoretical properties, as it converges almost surely to a stationary point. We also demonstrate that it is more robust than a previously proposed stochastic damped L-BFGS algorithm in the highly non-convex case that charac-terizes problems in deep learning.


identifier: Do, V. T. (2020). Stabilité structurale 3D des ouvrages hydrauliques en béton : développement et applications d'éléments fibres hydromécaniques  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Problématique : Les méthodes tridimensionnelles d'analyse structurale des piliers d'évacuateurs de crues en béton non armé peuvent être divisées en trois catégories de complexité croissante: (1) méthode de gravité (MG); (2) méthode d'éléments fibres et (3) méthode d'éléments finis 3D solides (MEF 3D). La MG, qui fait l'hypothèse d'une distribution linéaire des contraintes de flexion, est utilisée fréquemment dans la pratique en se basant sur l'hypothèse d'Euler-Bernoulli (EB) des « sections planes qui restent planes » après le chargement. Par ailleurs, les distorsions de gauchissement de la torsion et du cisaillement sont ignorées. La MEF 3D permet de capturer l'effet du gauchissement des sections profondes due au cisaillement et à la torsion. Cependant, l'utilisation de la MEF 3D en calcul non linéaire requiert (1) beaucoup d'expertise, (2) souffre souvent de problèmes de convergence, (3) demande de longs temps de calcul et (4) demande le développement d'outils de post-traitement exhaustifs afin de déterminer les indicateurs de la stabilité structurale (facteur de sécurité au glissement, position de la résultante des forces …). La méthode d'éléments fibres utilisant les paramètres familiers de la théorie de poutre, conduit à des résultats plus précis que la MG et avec moins de complexité que la MEF 3D non linéaire en termes de ressources d'ingénierie, temps de calcul et ressource d'interprétation des résultats pour prendre des décisions sur l'adéquation des indicateurs de stabilité par rapport aux exigences réglementaires. La méthode des éléments fibres présente donc plusieurs avantages par rapport à la MEF 3D, tout particulièrement pour les applications industrielles.  ABSTRACT:  Research Problem: Three-dimensional methods for structural analysis of unreinforced concrete spillway piers can be divided into three categories of increasing complexity: (1) Gravity Method (GM); (2) 3D fiber elements; (3) 3D Finite Element Method (FEM). The GM, which assumes a linear distribution of bending stresses, is frequently used in practice based on the Euler-Bernoulli (EB) hypothesis of "plane sections which remain plane" after loading. However, the warping effects of torsion and shear are ignored. The FEM 3D captures the warping effects of deep sections due to torsion and shear forces. Yet, the FEM in nonlinear computation (1) requires a lot of expertise, (2) often suffers from convergence problems, (3) requires long computational time, and (4) requires the development of comprehensive post-processing tools to calculate structural stability indicators (sliding safety factor, position of the force resultant, etc.…). The 3D fiber element method using the familiar parameters of beam theory, leads to more precise results than the GM and with less complexity than nonlinear 3D FEM in terms of engineering resources and interpretation of the results to take decisions on the adequacy of stability indicators in relation to regulatory requirements. The fiber element method therefore has several advantages over the 3D MEF,especially for industrial applications. Realistically, spillway piers are structures with deep sections whose warping effects are not negligible, which are subjected to 3D loads originating from the impact of floating ice inducing significant torsion, seismic forces along the weak axis, and the presence of uplift pressures (UP) in cracks.


identifier: Rufail, L. M. (2020). Composite Aircraft Lightning Strike Protection Damage Evaluation Using Microwave Microscopy  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours des 30 derni`eres anne´es, les concepteurs d'avions se sont tourne´s vers les mat´eriaux composites pour fabriquer leurs v´ehicules plus légers, plus économes en carburants et plus confortable pour les passagers. Les matériaux composites présentent un certain nombre d'avantages substantiels par rapport au métal, traditionnellement utilisés dans l'industrie. L'une de leurs principales propriétés est un rapport rigidité/poids très élevé. Des ﬁbres très rigides (généralement des ﬁbres de carbone ou verre) sont incorporées dans un matrice (généralement de la résine epoxy). Un deuxième avantage par rapport au métal est leur tolérance a` la corrosion. Les métaux sont sensibles à la fois à la corrosion et a` la fatigue. Les composites ne se corrodent pas, et ils ne sont pas soumis a` des dommages de fatigue dans l'e´tendue des structures métalliques. Par contre, les composites ne sont pas conducteurs (par exemple la ﬁbre de verre) ou sont nettement moins conducteurs que les métaux (par exemple la ﬁbre de carbone), et ne peuvent donc pas évacuer les courants intenses développées lors d'un événement de foudre. Les constructeurs d'avions ont mis au point un certain nombre de techniques spécialisées de protection contre la foudre (LSP en anglais). Bien que les LSP soient devenus d'un intérêt primordial au ﬁl des ans comme moyen de protéger les structures composites, aucune technique n'a été trouvée pour diagnostiquer les LSP en fonction des exigences des fabricants. Les travaux de cette thèse ont ´ete´ partiellement ﬁnancés par Bombardier Aérospatiale. Elle se concentrera sur une forme particulière de LSP, a` savoir la feuille de cuivre expansée (ECF en anglais) qui est largement utilisée dans la plupart des avions de long courrier de Bombardier. Le premier chapitre de cette thèse consiste en une revue des techniques les plus répandues actuellement utilisées dans l'évaluation des polymères renforcés de ﬁbres de carbone (CFRP en anglais). Il compare ces techniques et indique leurs limites et contraintes pour résoudre le problème formule´. Une introduction a` la microscopie micro-onde en champ proche est également présentée dans ce chapitre. Elle représente le noyau de tous les développements de cette thèse. Il y a de nombreuses variables qui interviennent dans la technique de microscopie micro-onde et qui doivent être adaptées `a l'objectif de ce travail. Le Chapitre 2 est une exploration des sondes électriques en champ proche ainsi qu'une analyse du dispositif de mesure correspondant. Il ﬁxe les limites, les avantages et les inconvénients de l'applicabilité de la microscopie a` micro-ondes pour l'´evaluation des CFRP. Une sonde `a guide d'onde coplanaire est utilisée ici pour démontrer que des défauts peuvent être trouvés dans le maillage LSP.  ABSTRACT: The last decades have seen a surge in the amount of composite materials used by the aircraft industry. This tendency is mainly due to a key advantage of composites compared with traditional aluminum alloys. They have strength while lowering the overall weight of the aircraft, which saves fuel consumption and improve eﬃciency and performance. A second advantage over metal is their tolerance to corrosion. Metals are susceptible to both corrosion and fatigue. Composites do not corrode, and they are not subject to fatigue damage to the extent of metal structures. Conversely, composites are either not conductive (e.g. ﬁberglass) or signiﬁcantly less conductive than metals (e.g., carbon ﬁber), so they can not conduct away the intense currents developed during a lightning event. Aircraft manufacturers have developed a number of specialized lightning strike protection materials (LSP). Even though LSP has become of paramount interest over the years as a means to protect composite structures, no techniques have been found to diagnose LSP according to manufactures requirements. Since this work was partially supported by Bombardier Aerospace, it will be concentrated in one particular form of LSP, namely expanded copper foil (ECF) which is widely used in most Bombardier long courier aircraft.The ﬁrst chapter of this thesis reviews the most established techniques currently used in carbon ﬁber reinforced polymer (CFRP) evaluation. It compares these techniques and it states their limitations and constraints to solve the formulated problem. An introduction of near ﬁeld microwave microscopy is also presented in this chapter which will be the core of all developments in this dissertation.There are many variables that intervene in microwave microscopy technique that must be adapted to the purpose of this work. Chapter 2 is an exploration of near ﬁled electric probes and analysis of the related measurement set-up. It sets the limits, pros and cons of the applicability of microwave microscopy for scanning CFRP. A coplanar waveguide probe is used here to demonstrate that defects can be found in LSP mesh. The limits of this design prompts the development of a magnetic probe.A new application of microwave microscopy technique is experimentally demonstrated in Chapter 3. A new magnetic probe design is introduced capable of revealing ﬂaws as small as 100 µm in the LSP, even under 350 µm thick paint layer. A potential application consisting of measuring the paint thickness is identiﬁed as well. Experimental measurements of the paint layer thickness with a resolution better than 2 µm have been demonstrated.


identifier: Agez, M. (2020). Amélioration des bases de données d'inventaires de cycle de vie par hybridation avec l'Input Output  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les gouvernements et entreprises sont de plus en plus pressés par les consommateurs pour prendre des décisions durables pour la planète. Afin de pouvoir prendre des décisions informées, la quantification d'émissions générées par une activité ou un produit sur la totalité du cycle de vie est nécessaire. Deux techniques principales peuvent être utilisées : l'Analyse du Cycle de Vie (ACV) et l'analyse Input-Output (IO). Ces deux techniques remplissent deux fonctions différentes. L'ACV permet de répondre à des questions précises en comparant les impacts sur l'environnement d'un produit à un autre, étant ainsi utile dans le domaine de l'écoconception. L'IO en revanche, permet de répondre à des questions de plus grosse envergure, s'intéressant davantage au système complet qu'est l'économie entière et aux interactions entre secteurs économiques. Chacune de ces méthodes toutefois, ne remplit pas son rôle à la perfection. L'ACV, qui se concentre sur la chaine de valeur d'un produit, ne parvient pas à capturer la totalité des intrants rentrant en jeu dans la chaine de valeur, menant à des sous-estimations récurrentes. L'IO, quant à elle, s'impose une agrégation de ses produits en secteurs industriels, ce qui la rend inadaptée pour étudier des produits spécifiques, diminuant la pertinence de son application.  ABSTRACT: The pressure from consumers to take durable actions for the planet on governments and companies is steadily increasing. To be able to take these actions, emissions linked throughout the lifecycle of a product or service must be quantified. Two techniques are available: Life Cycle Assessment (LCA) and input-Output (IO). Each of these methods have different goals. LCA strives to precisely compare value chains of products and is therefore greatly used in eco-design. On the other hand, IO strives to study the economy in its entirety and how sectors of the economy interact with each other. Both methods, however, do not perform their duties perfectly. LCA while striving to precisely depict the value chain of a product is unable to capture the entirety of inputs that are part of the value chain. This leads to recurring underestimations. IO struggles with the aggregation of its products into sectors which makes it highly incapable of studying specific products, thus limiting its application.


identifier: Kraouaia, M. (2020). Évaluation des impacts du dénoyage des mines sur l'hydrogéochimie des tourbières et des aquifères superficiels  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie minière représente un élément central de l'économie de l'Abitibi-Témiscamingue. Il s'agit d'une région où plus de 70% de la population dépend de l'eau souterraine pour son approvisionnement en eau potable et où plus de 20% du territoire est couvert par des milieux humides (principalement des tourbières) à grande valeur écologique. Or, à ce jour, les impacts du dénoyage minier sur les aquifères et les tourbières demeurent mal compris. Cela représente une entrave majeure à la protection des aquifères et milieux humides et un enjeu de taille pour une région minière. S'inscrivant dans ce contexte, la présente étude vise à développer des approches permettant d'évaluer l'impact du dénoyage des mines sur l'hydrogéochimie des aquifères et des tourbières, dans le contexte hydrogéologique de l'Abitibi-Témiscamingue. Le site ciblé est celui du projet de mine à ciel ouvert Akasaba Ouest de Mines Agnico Eagle, situé dans le bassin versant de la rivière Bourlamaque, au sud-est du de la ville de Val-d'Or. Les travaux de terrain réalisés ont inclus l'installation de six grappes de piézomètres dans une tourbière située à proximité immédiate de la future fosse. Les charges hydrauliques ont été monitorées selon un pas de temps horaire depuis l'installation des piézomètres à l'automne 2018. Des analyses chimiques (paramètres in situ, éléments majeurs, éléments traces et ultra-traces, carbone organique et inorganique dissous, nutriments, isotopes stables de la molécule d'eau) ont été menées sur 47 échantillons d'eau prélevés dans les différentes grappes de piézomètres durant l'été et l'automne 2019. Les données recueillies ont été utilisées pour développer un modèle d'écoulement et de transport de masse dans SEEP/W et CTRAN/W. Les modèles ont d'abord été calibrés pour représenter les conditions actuelles (en régime permanent et transitoire). Ils ont subséquemment été employés pour développer des scénarios visant à prédire les impacts de dénoyage des mines sur l'hydrogéochimie des tourbières. Les données de terrain ont révélé l'existence d'inversions dans les gradients hydrauliques verticaux au sein de la tourbe, vraisemblablement en raison d'un déphasage temporel dans les variations de charge hydraulique dans la tourbe et l'aquifère inorganique sous-jacent. Les données géochimiques associées à des traceurs jugés conservateurs (Cl; δ2H-δ18O) et à un traceur jugé non conservateur (Mn dissous) ont permis de mettre en lumière l'effet (1) d'un processus de mélange dispersif qui tend à homogénéiser la composition chimique du système tourbeux et (2) de processus d'oxydoréduction qui tendent à impartir une stratification chimique dans le système. Les résultats issus des simulations fournissent des bases théoriques et quantitatives permettant de mieux comprendre l'écoulement des eaux souterraines et les processus de transport de masse dans la tourbe, pour des conditions naturelles et sous l'influence de dénoyage des mines. Pour les conditions naturelles, les simulations montrent des charges hydrauliques plus élevées au printemps, vraisemblablement en réponse à la fonte des neiges qui recharge le système d'eau souterraine, et des charges hydrauliques qui diminuent graduellement lors de l'été, en réponse à l'évapotranspiration et à la décharge d'eau aux marges de la tourbière. Toujours pour les conditions naturelles, les simulations de transport de masse suggèrent que le transport vertical de solutés conservateurs depuis la surface de l'acrotelme vers la base du catotelme est plus efficace que le transport en sens inverse (ascendant). Les simulations permettent aussi de documenter la migration différentielle de solutés caractérisés par différentes valeurs de coefficient de distribution (Kd) au sein de la tourbe. Quatre scénarios ont été développés afin de simuler l'impact des phases initiales du dénoyage d'une mine sur les processus d'écoulement et de transport de masse dans un système aquifère-tourbière. Ces simulations ont révélé que l'impact du dénoyage sur le système tourbeux s'accentue significativement lorsque l'aquifère granulaire sous-jacent subit une dépressurisation. Les simulations montrent que les processus de transport de mase sont également significativement affectés dans ce contexte. Ultimement, les connaissances issues de la présente étude permettront de mieux évaluer et contrôler les impacts du dénoyage minier sur les tourbières et les écosystèmes associés.  ABSTRACT: The mining industry is a key component of the economy in Abitibi-Témiscamingue. This is an area where more than 70% of the population relies on groundwater for drinking water supply and where more than 20% of the territory is covered by wetlands (mainly peatlands) of great ecological value. However, to date, the impacts of mine dewatering on aquifers and wetlands remain poorly understood. This represents a major obstacle to the protection of aquifers and wetlands and an important challenge for a mining region. Fitting in this context, this study focuses on the development of approaches to assess the impact of mine dewatering on the hydrogeochemistry of aquifers and peatlands, in the hydrogeological context of the Abitibi-Témiscamingue region. The target site is that of the Akasaba West open pit mine project of Agnico Eagle Mines, located in the Bourlamaque River watershed, southeast of the city of Val-d´Or. The fieldwork carried out included the installation of six piezometers clusters in a peatland located in the immediate vicinity of the future mine pit. The hydraulic heads have been monitored according to an hourly time step since the installation of the piezometers in the fall of 2018. Chemical analyzes (in situ parameters, major elements, trace and ultra-trace elements, dissolved organic and inorganic carbon, nutrients, stable isotopes of the water molecule) were conducted on 47 water samples collected in the different piezometers clusters during the summer and fall of 2019. The data were used to develop a flow and mass transport model in SEEP/W and CTRAN/W. The models were first calibrated to represent current conditions (in steady and transient states). They were subsequently used to develop scenarios aimed at predicting the impacts of mine dewatering on the hydrogeochemistry of peatlands. Field data revealed the existence of inversions in the vertical hydraulic gradients within the peat, presumably due to a time lag in the hydraulic heads variations in the peat and in the underlying inorganic aquifer. The geochemical data associated with tracers considered to be conservative (Cl; δ2H-δ18O) and to a tracer considered to be non-conservative (dissolved Mn) made it possible to highlight the effect (1) of a dispersive mixing process which tends to homogenize the chemical composition of the peat system and (2) of redox processes which tend to impart chemical stratification in the system. The results from the simulations provide theoretical and quantitative bases to better understand groundwater flow and mass transport processes in peat, for natural conditions and under the influence of mine dewatering. For natural conditions, the simulations show higher hydraulic heads in the spring, presumably in response to snowmelt that recharges the groundwater system, and hydraulic heads that gradually decrease in the summer, in response to the evapotranspiration and water discharge at the margins of the peatland. Under natural conditions, mass transport simulations suggest that vertical transport of conservative solutes from the acrotelm surface to the base of the catotelm is more efficient than upward transport (from the base of the catotelm towards the surface of the acrotelm). The simulations also allow for documenting the differential migration of solutes characterized by different values of distribution coefficient (Kd) within the peat. Four scenarios were developed to simulate the impact of the initial phases of mine dewatering on the flow and mass transport processes in an aquifer-peat system. These simulations revealed that the impact of dewatering on the peat system significantly increases when the underlying granular aquifer undergoes depressurization. The simulations further reveal that mass transport processes are also affected in this context. Ultimately, the knowledge from this study will provide tools to better assess and control the impacts of mine dewatering on peatlands and associated ecosystems.


identifier: Sharbatdar, N. (2020). Supporting Transportation Decision-Makers with Tool Design and Data Uncertainty Visualizations  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les décideurs en matière de transport des agences gouvernementales jouent un rôle important dans la gestion des conditions du réseau de circulation, qui à leur tour ont un impact majeur sur le bien-être des citoyens. Les pratiques, les défis et les besoins de ce groupe de praticiens sont moins représentés dans la littérature HCI. D'autre part, il existe un manque d'outils permettant de répondre aux besoins des décideurs et de les aider à suivre et analyser les conditions de circulation sur le réseau routier. De plus, presque toutes les données de transport comportent une certaine incertitude, et une bonne communication de l'incertitude des données par le biais de visualisations peut avoir un effet important sur la qualité des décisions prises par les experts en transport. Cependant, il y a peu de connaissances sur la façon dont les décideurs en matière de transport gèrent les données incertaines et perçoivent les visualisations de l'incertitude des données.  ABSTRACT: Transportation decision-makers from government agencies play an important role in addressing the traffic network conditions, which in turn, have a major impact on the well-being of citizens. The practices, challenges, and needs of this group of practitioners are less represented in the HCI literature. On the other hand, there is a gap for tools that can fulfill decision-makers' needs and help them monitor and analyze traffic conditions on the road network. Additionally, almost all transportation data have some uncertainty, and good communication of data uncertainty through visualizations can have a great effect on the quality of the decisions that transportation experts make. However, there is little knowledge about how transportation decision-makers deal with uncertain data and perceive data uncertainty visualizations.


identifier: Luu, A. (2020). Formations en amélioration continue pour le milieu hospitalier belge et québécois  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les infections nosocomiales représentent au Québec 90 000 cas d'hospitalisations par an (Auger et al., 2006), plus de 100 000 cas tous les ans en Belgique (KCE, 2008), et concernent plus largement pas moins de 1,4 million de personnes à travers le monde à tout instant. Cela représente une proportion de 5 à 10% des patients qui sont infectés lors de soins reçus dans les hôpitaux modernes des pays développés, et jusqu'à plus de 25% dans les pays en développement (Site internet OMS, 2020a). Elles prolongent le séjour hospitalier, augmentent les dépenses en soins de santé, et influent sur la morbidité et la mortalité des patients (KCE, 2008). L'OMS a émis des recommandations comme le lavage des mains (Site internet OMS, 2020b) et des pratiques de vigilance pour s'assurer que les gestes réalisés sont bien en adéquation avec les recommandations. Cependant, les récents travaux en pédagogie et en psychologie cognitive mentionnent que le développement d'habitudes passe par un mécanisme de support et de récompense plutôt que disciplinaire puisque ce dernier favorise l'évitement (Gould et al., 2016; Shagholi et al., 2010). Nous proposons ici le fait qu'une étude plus approfondie du mécanisme inhibiteur du contrôle ainsi qu'une utilisation simultanée de méthodes persuasives, d'aspects théoriques et d'enseignements pratiques liés à l'amélioration continue permettraient de motiver les destinataires à s'impliquer dans un processus de résolution de problème tout en offrant une piste de réflexion pour la remise en question de la notion de contrôle. Nous détaillons dans ce travail la préparation de formations en amélioration continue pour le milieu hospitalier basée sur ces éléments de littérature afin de prendre en considération les enjeux d'implantation de la démarche. Les formations ont été testées dans des hôpitaux belges et québécois, et nos premiers résultats s'avèrent très encourageants quant à la compréhension et l'acceptation par les équipes. Parmi les personnes formées, 95% considèrent par exemple que les idées et principes abordés sont proches de leurs besoins et convictions, et 60% d'entre eux estiment même qu'ils sont parfaitement en phase. Nous apportons ainsi des pistes de réflexion pour la préparation et la conduite du changement dans le but d'une amélioration des processus et des conditions sanitaires des services hospitaliers. Néanmoins, notre étude présente dans l'état actuel de nombreuses limites qui seront discutées. Il nous aura malheureusement été impossible de relever la majorité des indicateurs prévus en lien avec l'implication des gestionnaires et les perturbations du projet par les impacts de la crise mondiale du Covid-19 sur le fonctionnement des services hospitaliers. Il semble que dans un tel contexte de crise, nous n'ayons pas réussi à faire en sorte que les gestionnaires priorisent le projet. Nous proposons alors deux pistes d'amélioration en lien avec la discussion des résultats.  ABSTRACT: Nosocomial infections represent 90,000 hospitalizations per year in Quebec (Auger et al., 2006), more than 100,000 cases every year in Belgium (KCE, 2008), and more broadly concern no fewer than 1.4 million people worldwide at any given time. This represents a proportion of 5 to 10% of patients who are infected during care received in developed countries hospitals, and up to more than 25% in developing countries (WHO website, 2020a). They prolong the hospital stay, increase healthcare expenditure, and affect patient morbidity and mortality (KCE, 2008). The WHO has issued recommendations such as handwashing (WHO website, 2020b) and vigilance practices to ensure that practices taken are consistent with the recommendations. However, recent work in pedagogy and cognitive psychology suggests that the development of habits requires a support and reward mechanism rather than a disciplinary one, since the latter promotes avoidance (Gould et al., 2016; Shagholi et al., 2010). We propose here that a more in-depth study of the inhibitory mechanism of control and a simultaneous use of persuasive methods, theoretical aspects and practical lessons related to continuous improvement would motivate the recipients to get involved in a problem-solving process while providing a reflection on the questioning of the notion of control. In this work, we detail the preparation of continuous improvement training courses for the hospital environment based on these elements of the literature to take into consideration the issues involved in implementing the approach. The trainings have been tested in Belgian and Quebec hospitals, and our initial results are very encouraging in terms of understanding and acceptance by the teams. For example, 95% of the people trained consider that the ideas and principles discussed are close to their needs and convictions, and 60% of them even consider that they are perfectly in tune with them. In this way, we provide food for thought for the preparation and management of change with the aim of improving processes and health conditions in hospital departments. Nevertheless, our study presents in its current state many limitations that will be discussed. Unfortunately, it was impossible for us to identify the majority of the planned indicators related to the involvement of managers and the disruption of the project by the impacts of the Covid-19 world crisis on the operation of hospital services. It seems that in such a crisis context, we were unable to get managers to prioritize the project. We then propose two avenues for improvement in relation to the discussion of the results.


identifier: Tousignant, X. (2020). Modélisation d'un couplemètre magnétoélastique pour évaluer l'impact de ses paramètres de conception  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un modèle numérique est développé pour évaluer l'impact des paramètres de conception sur le gain et l'uniformité du signal d'un couplemètre magnétoélastique passif. Ce type de couplemètre est particulièrement intéressant pour des applications automobiles comme la direction assistée grâce à sa grande sensibilité, son intégration facile dans l'architecture de l'automobile et la possibilité de mesures sans contact. Il consiste en un cylindre avec une ou plusieurs bandes magnétiques ayant une aimantation circonférentielle. Ces bandes magnétiques réagissent aux couples appliquées en modifiant l'orientation de leur aimantation, qui devient alors mesurable avec des magnétomètres près de la surface du cylindre. Le fonctionnement du couplemètre magnétoélastique met en évidence quelques paramètres importants comme la taille des bandes magnétiques, la distance des magnétomètres de la surface du cylindre ainsi que leur orientation. L'étude de ces paramètres peut être difficile dans un contexte expérimental, car plusieurs contributions au signal total sont difficilement contrôlables. Il y a par exemple les contraintes résiduelles dans le cylindre, la variation des propriétés du matériau, la non-uniformité de l'aimantation, et l'interaction des bandes magnétiques avec le reste du dispositif. Pour éliminer ces contributions et extraire l'impact des paramètres de conception, un modèle numérique du dispositif est approprié car il permet de l'étudier dans des conditions idéales. En effet, des différences significatives dans le gain du dispositif ont été observées en modifiant les paramètres de conception listés plus tôt. Par exemple, une configuration radiale des magnétomètres profite d'un gain supérieur qu'une configuration axiale malgré sa sensibilité accrue aux déplacements des capteurs. Puis, l'impact des fluctuations dans la configuration magnétique du couplemètre sur ses performances est évalué. De telles fluctuations peuvent être présentes dans un matériau réel à cause des contraintes résiduelles, des défauts, et de la nature polycristalline du matériau. Le cas spécifique d'une maille cristallographique cubique est étudié, montrant que cette dernière limite le gain à 0.73 fois sa valeur maximale. En effet, les fluctuations dans la configuration magnétique du couplemètre diminuent le gain du dispositif. En plus de cela, elles ajoutent un signal résiduel qui peut causer des problèmes lors du fonctionnement du couplemètre. Finalement, le modèle est utilisé pour calculer le champ magnétique résiduel d'un couplemètre magnétoélastique défini par des configurations magnétiques non idéales. Ces dernières consistent en des variations spatiales des propriétés du matériau qui peuvent apparaître à cause de l'usinage de la pièce, des traitements thermiques de la pièce ou encore de la procédure de magnétisation qui a été utilisée pour définir les bandes magnétiques.  ABSTRACT: A numerical model is developed to evaluate the impact of various design parameters on the gain and the signal uniformity of a passive magnetoelastic torquemeter. This type of torquemeter is particularly interesting for automotive applications such as power steering due to its high sensitivity, its versatility and the possibility of contactless measurements. The device consists of a ferromagnetic cylinder with one or many artificially defined magnetic bands of circumferential magnetization. Those magnetized bands react to the applied torque by modifying the orientation of their magnetization due to the magnetoelastic coupling. The resulting magnetization then becomes measurable with magnetometers close to the cylinder surface. The model is useful to study and optimize a magnetoelastic torquemeter because it allows us to measure the impact of different parameters under ideal conditions. This study uses the model first to study the width of the magnetized bands, the distance of the magnetometers from the surface and their orientation. The effects of those parameters are significant on the torquemeter gain. For example, regarding the orientation of the magnetometers, a radial configuration offers a larger gain but tends to be more sensitive to position errors. Another test consisted in adding fluctuations to the initial magnetization of the torquemeter to measure its effect on the gain. Such fluctuations simulate the real tendencies of a material to have non-ideal magnetization due to residual stresses, defects and its polycristalline nature. The specific case of a polycrystal with cubic lattices shows that crystallinity can decrease the gain to 0.73 times its theoretical maximum. The decreasing gain is expected because fluctuations tend to decrease the azimuthal magnetization that reacts to the applied torque. Furthermore, increasing the fluctuations potentially increases the offset of the signal that leads to further practical problems. The last test was to compute the residual magnetic field of various torquemeters in order to identify possible origins of problematic signal offsets. Those torquemeters had non-uniform spatial distributions of the material properties that can appear from the sample machining, its heat treatment and the magnetization procedure used to define the magnetic bands. Knowing that the residual magnetic field can be detrimental to the torquemeter performance, it is useful to know its origin in order to correct it. However, it is difficult to probe the interior of the cylinder without destroying it. The numerical model is then used as an alternative. The test consisted in reproducing the trends of the measured residual field with the results from a model torquemeter with non-uniform magnetized bands.


identifier: Havegeer Richard, C. (2020). Modélisation et validation expérimentale de la production de syngaz par gazéification des matières résiduelles  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La gestion des matières résiduelles (GMR) est un enjeu critique pour toutes les municipalités. Bien que le Québec ait mis en place des politiques de collectes tri-sélective depuis 1998, en 2018, 5 361 000 tonnes d'ordures ménagères (OM) sont enfouies au Québec. Le compostage et le recyclage permettent une valorisation simple de composés identifiés et triés à la source, cependant ils ne permettent pas d'agir sur la partie la plus importante des matières générées : les ordures ménagères. Celles-ci sont hétérogènes, mélangées, contaminées et donc très difficilement valorisables par le recyclage. Cependant, il est possible de les valoriser par la gazéification. La gazéification est un traitement thermique, consistant à provoquer une combustion partielle de la matière en utilisant un débit d'air inférieur à celui d'une combustion complète. La matière est convertie en trois produits distincts : des cendres qui peuvent être enfouies mais ne représente plus que typiquement 30% de la masse entrante, un liquide qui doit être nettoyé et représente environ 10% de la masse entrante et finalement un gaz de synthèse, appelé syngaz, mélange de CO, H2, CO2, CH4 et H2O, représentant typiquement 60% de la masse entrante pouvant être utilisé pour produire des composés complexes tel que le méthanol, l'éthanol, l'ammoniac, ou simplement de la chaleur et de l'électricité.  ABSTRACT: Waste management is a critical issue for all municipalities. Although Quebec has had tri-selective collection policies in place since 1998, in 2018, 5,361,000 tonnes of household waste (HW) will be landfilled in Quebec. Compost and recycling allow for the simple recovery of identified and sorted compounds at the source; however, they do not allow for action on the most important part of the materials generated: household waste. This is heterogeneous, mixed, contaminated and therefore very difficult to recycle. However, it is possible to recover them through gasification. Gasification is a thermal treatment, which consists of causing partial combustion of the material using an air flow rate lower than that of complete combustion. The material is converted into three distinct products: ash that can be buried but typically represents only 30% of the input mass, a liquid that must be cleaned and represents about 10% of the input mass and finally a synthesis gas, called syngas, a mixture of CO, H2, CO2, CH4 and H2O, typically representing 60% of the input mass that can be used to produce complex compounds such as methanol, ethanol, ammonia, or simply heat and electricity.


identifier: Schwanka Trevisan, A. (2020). Contribution to Assessment Methods for Low-Frequency Interactions in Inverter Dominated Power Systems  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le cadre de l´actuelle transition énergétique, les réseaux électriques ont connu un essor ra-pide du raccordement d'onduleurs de puissance, principalement motivé par l´intégration à grande échelle de production éolienne et solaire ainsi qu´à l´utilisation de systèmes de courant continu à haute tension (HVDC). Même si les onduleurs couplés au réseau peuvent offrir des services réseaux avancés, leurs caractéristiques et dynamiques diffèrent de celles bien connues des composants du système classique. Par conséquent, l'accroissement rapide de leur utilisation change de façon significative la dynamique des réseaux électriques. Plusieurs événements ont été signalés indiquant des interactions néfastes entre des onduleurs et les réseaux électriques sur lesquels ils sont connectés. Ces incidents, en particulier ceux survenus ces dernières années, démontrent de façon probante la nécessité de revoir substantiellement la planification et les méthodes d'analyse des réseaux électriques afin d'intégrer harmonieusement ces « nouveaux » dispositifs et d'évaluer leur impacts sur les réseaux. Dans ce contexte, un des principaux défis rencontrés auxquels est confronté l'industrie des réseaux électriques est la nécessité de comprendre et d'évaluer correctement et efficacement les risques potentiels de telles interactions indésirables, même si en pratique, pour des raisons de protection de la propriété intellectuelle, peu d'information et des données sur les composants sont disponibles, notamment aussi à cause de l'utilisation de modèles « boîtes noires ».  Afin de relever ce défi, des méthodes rapides de détection d´interactions ont été présentées dans plusieurs études. Le recours à des représentations très simplifiées des onduleurs et les réseaux électriques dans ces études rendent toutefois difficile l´application de ces résultats à des cas réels. À cette fin, cette thèse vise à proposer une analyse fondamentale de la stabilité à basse fréquence impliquant des onduleurs raccordés aux réseaux électriques, tout en considérant une représentation détaillé et réaliste des onduleurs et des réseaux.  ABSTRACT: In the framework of ongoing energy transition, power systems have experienced a rapid increase in the use of grid-connected inverters, mostly driven by large-scale integration of wind and solar power plants as well as the use of voltage-sourced converter-based high-voltage direct current (HVDC) transmission systems. Although grid-connected inverters are capable of providing advanced grid services, their characteristics and dynamics differ from those well-known of classical system components and, thus, their rapid widespread application is significantly changing power system dynamics. Several field events involving grid-connected inverters have been reported, indicating that these devices can adversely interact with existing grid infrastructure. These events, especially those of recent years, are convincing evidence that substantial revision of existing power system planning and study methodologies is required in order to properly address these “new” devices and their impacts in the grid.  In this context, one of the major challenges faced by the power system industry is the necessity of correctly and efficiently understanding and assessing potential risks of such adverse interactions, even when in practical cases, mostly due to intellectual property issues, not much information of components is available and protected (i.e., black-box) models are used. Several studies have been reported and approaches for fast interaction screening have been pro-posed to address the aforementioned needs, however, these results mostly relied on oversimplified representations of grid-connected converters and electrical grids, thus, making it difficult to translate findings to practical cases. To address these needs, this thesis aims to contribute with new analyses of low frequency stability phenomena involving grid-connected converters in power systems under detailed and realistic consideration of power equipment.  An overview of existing electromagnetic transient (EMT) type benchmark models is provided and an additional benchmark is proposed to address the investigation of low frequency interaction of wind farms connected to series compensated grids.


identifier: Abdi, S. (2020). Towards Ultra-Low Specific Contact Resistance On High Sn-Content GeSn For Mid-Infrared Optoelectronics  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La photonique intégrée à base de silicium (Si), fonctionnant dans le domaine infrarouge IR-B (c-à-d 1,4 à 3 μm) et au-delà, constitue une plateforme importante pour le développement de dispositifs photoniques robustes, abordables et fortement modulables. Dans ce cadre, les semi-conducteurs du groupe-IV à base de germanium-étain (GeSn) ont récemment fait l'objet de plusieurs études. Premièrement, car ils offrent une bande interdite directe qui est accordable dans ce domaine de longueurs d'onde. Deuxièmement, pour leur compatibilité avec la plateforme des semi-conducteurs complémentaires à l'oxyde de métal (CMOS), ainsi permettant leur intégration dans les procédés industriels bien établis de l'électronique en Si, afin de produire des dispositifs électroniques et photoniques sur la même puce. Il peut s'agir d'une révolution dans la fabrication de tels dispositifs, et avoir un impact important sur un large spectre d'applications existantes et futures, telle que la vision infrarouge à cout réduit pour usage militaire ou civil tel que dans les voitures autonomes, la détection des gaz, la spectroscopie et les capteurs intégrés pour les laboratoire-sur-puce. Le succès de la fabrication des dispositifs basés sur GeSn repose sur le développement des jonctions de base, ou des composantes constituant leurs régions actives et passives. D'ailleurs, l'une des jonctions passives les plus importantes de tout dispositif à base de semi-conducteurs est la jonction métal-semi-conducteur (M-S). Ainsi, une solution de traitement adaptée, fournissant des contacts M-S hautement performants est cruciale. Les conditions de traitement doivent également être compatibles avec les limites intrinsèques du matériau, et la nature du contact, car les deux affectent négativement la performance des contacts. De même, la solution doit être pratique, abordable, compatible avec le CMOS, et adaptables aux différentes applications. Dans cette perspective, cette thèse est un aboutissement des efforts réalisés pour développer des étapes fondamentales de traitement des contacts M-GeSn, répondant aux conditions mentionnées ci-dessus, tout en maintenant une grande intégrité des dispositifs pendant le traitement. La première partie de la thèse se concentre sur l'implémentation du recuit thermique au laser ultra rapide, comme solution potentielle de traitement à faible énergie pour les contacts métalliques sur GeSn. Le but est de fonctionnaliser les contacts sans endommager les couches de GeSn en dessous. Les résultats montrent le potentiel d'application de cette technique sur des dispositifs futurs.  ABSTRACT: Silicon-based integrated photonics, operating in the short-wave infrared at the 1.4–3 μm range and beyond, provides a platform for the development of robust, affordable, and highly scalable photonic devices. For this purpose, germanium-tin (GeSn)-based group-IV semiconductors have been extensively studied as they offer a tunable direct bandgap in this infrared range. Moreover, their compatibility with the Si complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) platform allows for their seamless integration with the well-established Si electronics industry, to produce electronic and photonic devices on the same chip. This could be a revolution in the fabrication of such devices, and can profoundly impact a wide spectrum of existing and future applications, such as affordable infrared vision for military and consumer market including self-driving cars, efficient gas sensing and imaging, and integrated lab-on-a-chip sensors. The success in fabricating GeSn-based devices relies on the development of the essential junctions, or building blocks, constituting their active and passive regions. The metal-semiconductor (M-S) junction is among one of the most critical passive junctions in semiconductor-based devices. Thus, a processing solution tailored to achieve high-performance M-S contacts is crucial. The processing conditions need to be compatible with the intrinsic limitations imposed by the material and the contact properties. Moreover, processing these devices must be practical, affordable, CMOS-compatible, and adaptable to different applications. With this perspective, this thesis is a culmination of the efforts realized to develop key M-GeSn processing steps that meet the conditions mentioned above, while maintaining high device integrity during processing. The first part of this thesis focuses on investigating ultrafast laser thermal annealing as a potential low thermal budget processing solution for M-GeSn contacts. The goal is to functionalize the contacts without damaging the GeSn layers underneath. Results show the possibility of applying this technique on future devices, as the specific contact resistance in Nickel contacts was lowered by a factor of 100 as a result of forming a Ni-based GeSn alloy, while buried GeSn layers preserved their quality upon annealing at certain conditions. The second part concentrates on understanding the in situ doping process during the growth of relaxed GeSn. Both p-type and n-type doping were studied for this purpose.


identifier: Beaulé, X. (2020). Identification automatique des crises d'épilepsie : développement d'un système non-invasif  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'épilepsie est une condition neurologique caractérisée par des interruptions non-prévisibles et répétées du fonctionnement normal du cerveau. Présentement, le seul moyen fiable d'arriver à l'identification des crises est à l'aide d'un électroencéphalogramme (EEG). Le suivi à long terme des crises d'épilepsie est cependant difficile par EEG en dehors du milieu hospitalier. Des vêtements intelligents utilisant des capteurs non-invasifs pourraient permettre d'identifier les crises sans avoir recours à l'EEG. En ce sens, un système de cinq appareils sans-fils a été développé afin de permettre un suivi multimodal des signaux physiologiques. L'échange de données est réalisée par Bluetooth Low Energy. Un Raspberry Pi synchronise et enregistre les données en temps réel. Le système comprend un électrocardiogramme mesurant l'activité électrique du coeur et l'impédance pulmonaire, un oxymètre de pouls et des accéléromètres positionnés au niveau des poignets, des chevilles et du tronc. Quatre systèmes ont été livrés au Centre hospitalier de l'Université de Montréal pour l'acquisition de données sur des patients épileptiques. Un algorithme d'apprentissage machine a ensuite été développé afin d'identifier automatiquement les crises. Une sensibilité de 94.7% et une spécificité de 94.1% ont été obtenues sur des données contenant des crises simulées et une crise réelle. Le système sans-fil a aussi démontré une performance suffisante au niveau de l'exactitude des mesures physiologiques et de l'autonomie pour permettre des acquisitions de longue durée chez les patients épileptiques. Ces résultats préliminaires montrent la possibilité d'identifier automatiquement les crises de manière non-invasive à domicile. Une telle technologie pourrait permettre de mesurer l'efficacité à long terme de médicaments pour traiter l'épilepsie. Elle pourrait aussi améliorer la protection des patients en émettant des alertes en cas de crise.  ABSTRACT: Epilepsy is a neurological condition characterized by unpredictable and repeated interruptions of brain function. Currently, the only reliable way to identify seizures is using an electroencephalogram (EEG). Long-term monitoring of epileptic seizures by EEG is however difficult outside the hospital setting. Smart clothing using non-invasive sensors could help identify seizures without resorting to EEG. In this sense, a system of five wireless devices has been developed to allow multimodal monitoring of physiological signals. Data exchange is carried out by Bluetooth Low Energy. The data is synchronized and recorded in real-time on a Raspberry Pi. The system includes an electrocardiogram measuring electrical activity of the heart and pulmonary impedance, a pulse oximeter and accelerometers at the wrists, ankles and trunk. Four systems were delivered to the Centre hospitalier de l'Université de Montréal for data acquisition on epileptic patients. A machine learning algorithm was then developed to automatically identify seizures. A sensitivity of 94.7% and a specificity of 94.1% were obtained on data containing simulated seizures and one real seizure. The wireless system has also demonstrated sufficient performance in terms of physiological measurements accuracy and autonomy to allow long-term acquisitions in epileptic patients. These preliminary results show the possibility of automatically identifying seizures at home in a non-invasive way. Such technology could measure the long-term effiectiveness of drugs used to treat epilepsy. It could also improve patient protection by issuing alerts when seizures occur.


identifier: Wang, X. (2020). Real-Time Microwave Signal Processing: Dispersion Engineering and Time Modulation  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Il y a aujourd'hui une demande pour des systèmes radiofréquences ayant une large bande passante, une faible latence, des bas coûts, une grande fiabilité et une faible consommation d'énergie. Par exemple, la prochaine génération de systèmes sans fil mobiles devrait avoir une capacité mille fois plus élevée qu'aujourd'hui pour répondre aux exigences de diverses applications telles que les véhicules sans pilote et la télémédecine. Bien que la technolo-gie dominante actuelle, le traitement de signal numérique (DSP en anglais), soit compacte, flexible et précise, elle sou˙re de problèmes fondamentaux, notamment une consommation d'énergie élevée, une conversion analogique-numérique coûteuse, une bande passante limitée, un stockage en mémoire faible et une mauvaise performance aux hautes fréquences. Par con-séquent, nous proposons ici d'e˙ectuer le traitement du signal micro-ondes analogiquement et en temps réel. Cette technique attrayante a été peu explorée jusqu'à présent, et pourrait remplacer ou complémenter le traitement numérique. Le chapitre 1 présente la motivation du traitement du signal micro-ondes analogique en temps réel (R-MSP), deux solutions R-MSP complémentaires basées respectivement sur l'ingénierie de la dispersion et la modulation du temps, ainsi que les contributions de cette thèse. Les chapitres 2 et 3 proposent deux applications basées sur l'ingénierie de dispersion pour le traitement des signaux micro-ondes. Cette technologie est inspirée de l'optique ultra-rapide, où les signaux électromagnétiques sont traités en temps réel à l'aide de composants optiques dispersifs. Dans le domaine des micro-ondes, ces composants conçus pour la dispersion ont reçu le nom de "phaseurs" et, comme leurs homologues optiques, manipulent la phase ou le retard de groupe des signaux d'entrée. En concevant les caractères de dispersion des composants, diverses fonctions peuvent être réalisées. Le chapitre 2 présente un transformateur de Hilbert hyperfréquence. Ce transformateur de Hilbert est basé sur la combinaison d'un coupleur et d'un résonateur en boucle. La fonction de transfert du transformateur est dérivée à l'aide de graphiques de flux de signaux, et deux chi˙res de mérite sont introduits pour caractériser eÿcacement le dispositif. De plus, une explication détaillée de son fonctionnement physique est fournie. Le transformateur micro-ondes de Hilbert est démontré expérimentalement dans trois applications: pour la détection d'un front d'onde, pour la suppression de la crête et pour la modulation à bande latérale unique.  ABSTRACT: Today's exploding demands for wider bandwidth, lower latency, lower cost and more reliable and power-efficient radio systems bring more challenges for signal processing technologies. For example, the next generation mobile wireless systems in the coming decade is expected to have thousand times higher capacity than it is right now to meet the requirements of various applications, for instance, unmanned vehicles and telemedicines. Although current dominant technology, digital signal processing (DSP), offers the benefits of device compactness and processing flexibility and preciseness, it also suffers fundamental issues, including high power consumption, high-cost analog-digital conversion, limited operating bandwidth, low memory storage, and poor performance at high frequencies. Therefore, processing microwave signal in real time and purely analog domain as an alternative or complementary technique is desired, which is attractive but less explored till now. Chapter 1 introduces the motivation of real-time microwave signal processing (R-MSP) and two complementary R-MSP solutions based on dispersion engineering and time modulation, respectively, along with the contributions of this thesis. Dispersion engineering based microwave signal processing is a signal processing technology inspired from ultra-fast optics, where electromagnetic signals are processed in real-time using dispersive optical components. In microwave domain, these dispersion-engineered components have been given the name "phasers" and, similar to its optical counterpart, manipulates the phase or the group delay of input signals. By engineering the dispersion characters of the components, various functions may be realized. In chapters 2 and 3, two applications based on dispersion engineering for microwave signal processing are proposed. Chapter 2 presents a microwave Hilbert transformer as a new component for R-MSP. This Hilbert transformer is based on the combination of a branch-line coupler and a loop resonator. The transfer function of the transformer is derived using signal flow graphs, and two figures of merits are introduced to effectively characterize the device. Moreover, a detailed physical explanation of its physical operation is provided. The microwave Hilbert transformer is demonstrated experimentally in three applications: edge detection, peak suppression and single sideband modulation. Chapter 3 presents a design of dispersion engineering based a planar Rotman lens spectrum decomposer (RL-SD) with the features resolution flexibility, input port position arbitrariness and frequency range and resolution tunability. The resolution flexibility consists in allowing diffrent frequency sampling functions by properly distributing the output port locations.


identifier: Popescu, R. I. (2020). Design et développement d'un quadrirotor joueur de tennis de table avec des hélices inclinables  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les bras manipulateurs joueurs de tennis de table les plus avancés sont chers et leur configuration requière beaucoup d'espace. On pourrait considérer l'utilisation de robots aériens pour exécuter cette tâche, mais la plupart des avions à décollage et atterrissage verticales (ADAV) ne sont pas suffisamment rapides pour reproduire des mouvements de frappes. L'objectif de la recherche présentée dans ce mémoire est de développer un nouveau type de robot aérien joueur de tennis de table. Un prototype de quadrirotor ayant des hélices inclinables est d'abord considéré pour permettre de suivre des trajectoires agressives. Le robot a besoin d'atteindre des vitesses de 3.5 m/s au point d'impact et de rester suffisamment léger pour être agile. Ensuite, pour obtenir de hautes performances sur ce requis, un contrôleur Itérative Linéaire Quadratique Régulateur (iLQR) qui suit des trajectoires ayant un snap minimum est implémenté. Le contrôle de la boucle interne est délégué à un microcontrôleur PX4 pour le tangage, le lacet et le roulis pour assurer une bonne robustesse et une haute fréquence. Cette approche est testée dans une simulation réaliste et ensuite le framework complet pour cette application est développer sur un ordinateur embarqué. Des résultats expérimentaux ont été obtenus avec des caméras de capture de mouvements donnant la position et le temps d'impact. Cette information est envoyée au quadrirotor par communication sans-fil et la trajectoire est exécutée immédiatement. Au meilleur de nos connaissances, il s'agit du premier robot aérien étant capable de retourner des balles de tennis de table lancées par un humain. Un taux de succès de 40% est obtenu sur les frappes avec le modèle réel du quadrirotor, significativement supérieur à ce qui était possible d'atteindre auparavant avec un quadrirotor.  ABSTRACT: State-of-art table tennis robot manipulators are expensive and their setup require a lot of space. One could consider using aerial robots for this task, but most vertical takeoff and landing (VTOL) vehicles are not fast enough to reproduce hitting motions. The objective of the research presented in this thesis is to develop a novel type of aerial robot tennis table player. A prototype of a quadrotor that uses tilting propellers is first considered to enable the possibility of aggressive trajectory tracking. The system needs to reach speeds up to 3.5 m/s at the position of impact and to remain light enough to be agile. Next, to obtain high performances for this requirement, an Iterative Quadratic Linear Controller (iLQR) method that follows minimum snap planned trajectories is implemented. Inner-loop control is delegated to a PX4 microcontroller for roll, pitch and yaw to ensure good robustness and high frequency. This approach is tested in a realistic simulation and then the complete software for this task is developed on an onboard computer. Experimental results have been conducted with a motion capture system to have the full state estimate of the system. The trajectory of the ball is also estimated by the motion capture system, giving the position and time of impact. This information is then sent to quadrotor wirelessly and the trajectory is executed immediately. To the best of our knowledge, this is the first aerial robot capable to return tennis table balls thrown by a human. Hitting rates of 40% are achieved with the real quadrotor, significantly better than what was possible before for a quadrotor.


identifier: Popescu, G. M. (2020). Conception d'un quadrirotor à rotors inclinables pour le suivi de trajectoires agressives  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les quadrirotors sont des plateformes robotiques aériennes peu coûteuses et agiles. Plusieurs applications sont envisageables avec ces robots tels que l'exploration des mines ou les opérations de reconnaissance et sauvetage. Ces missions nécessitent de naviguer dans des environnements encombrés et imprédictibles. Le véhicule utilisé doit pouvoir éviter rapidement des obstacles tout en circulant à haute vitesse. Le quadrirotor étant sous-actionné est limité dans son agressivité puisqu'il doit s'incliner avant d'accélérer. De plus, les contrôleurs conventionnels utilisés ne prédisent pas le comportement qu'aura le véhicule durant la trajectoire en utilisant sa dynamique ce qui l'empêche de planifier assidument les manœuvres complexes. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce mémoire est de s'affranchir de ces deux limitations en développant un quadrirotor capable d'incliner ses moteurs pour accélérer plus rapidement et d'utiliser un contrôleur prédictif pour le suivi de trajectoire. Plus spécifiquement, une modification au design conventionnel du quadrirotor est proposée par l'ajout d'un seul actuateur pour permettre des manœuvres agressives dans un seul axe. Puis, un ILQR qui est un contrôleur prédictif sans optimisation numérique, est développé. Celui-ci tient compte de l'état à jour du quadrirotor pour la linéarisation et la résolution du problème de contrôle optimal. En premier lieu, le modèle dynamique du quadrirotor à moteurs inclinables est présenté. Puis, une loi de contrôle basé sur un schéma de contrôle en cascade avec une boucle régulant la dynamique en translation à l'aide d'un ILQR et une autre la dynamique en rotation avec un régulateur PD sont implémentées. Ensuite, la solution proposée est testée en simulation et comparée aux approches conventionnelles tant en termes de conception mécanique qu'en asservissement. L'erreur en suivi de trajectoire est diminuée de plus de 1483% avec un impact supérieur de l'ajout de l'inclinaison des moteurs. Enfin, un prototype expérimental est conçu avec des pièces électroniques et mécaniques standards et largement accessibles. La différence entre le design conventionnel et le quadrirotor à moteurs inclinables est étudiée sur des trajectoires agressives. L'erreur diminue de plus de 26% avec l'ajout d'un actionneur alors qu'en simulation pour la même trajectoire l'erreur diminue de 38% ce qui indique que la même tendance est conservée.  ABSTRACT: Quadrotors are cost-effective and agile aerial robotic platforms. Numerous applications are possible with these robots like mines exploration or search and rescue operations. Nevertheless, these missions require navigating through cluttered and unpredictable environments. The vehicle used for these operations must be able to avoid newly located obstacles fast while travelling at high speeds for time critical missions. Quadrotors are underactuated systems and therefore limited in their overall maneuvers because they need to tilt their whole body before accelerating in a direction. Also, conventional controllers used with these systems don't predict the behavior of the vehicle during a trajectory by using the systems dynamics which prevents them from planning diligently complex maneuvers. In this context, the main objective of this master thesis is to mitigate these two limitations by developing a quadrotor able to tilt his motors thrust to accelerate faster and to use a predictive controller for the trajectory tracking problem. Specifically, a modification to the conventional quadrotor mechanical system is proposed by adding a single actuator to enable aggressive motions in a single axis. Then, an ILQR, which is a predictive controller and does not require parameter optimization, is developed. The latter is a state- dependent controller who behaves as a nonlinear controller by considering the known updated state of the vehicle to solve the optimal control problem. First, the dynamic model of the quadrotor with tilting motors is found. Then, a control law based on a cascade control scheme with a loop for the translational dynamics regulated by an ILQR controller and another loop for the rotational dynamics with a PD controller is implemented. Afterwards, the proposed solution is tested in simulations and compared with conventional approaches in terms of mechanical design and control. Trajectory tracking error is reduced by more than 1483% with the tilting motors modification having a superior impact on performance. Finally, an experimental prototype is designed with standard electronic and mechanical pieces available off-the-shelf. The difference between the conventional design and the quadrotor with tilting motors is studied on this custom-made quadrotor on aggressive trajectories. The error has decreased by more than 26% by adding an actuator while in simulation for the same trajectory this error decrease by 38% which indicates that the same trend is maintained.


identifier: Ghoorchiyan, A. (2020). Defining Best Practices for Using Lean and Agile Principles Within the New Product Development Process  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Parmi les stratégies de développement de nouveaux produits (NPD), les méthodologies Agile et Lean Startup (LS) ont été choisies pour comparer dans deux types d'entreprises différents: les fournisseurs de services et les fabricants (producteurs de produits immatériels et tangibles) en fonction du nombre d'employés. La méthodologie Agile a été développée pour améliorer la productivité des éditeurs de logiciels au début des années 2000. Il a amélioré le processus NPD grâce à des techniques de communication de sprint et de routine et des réponses rapides aux changements du marché. LS a émergé pour aider les dirigeants à prendre des décisions et réduire le flou pour les entreprises qui lancent de nouveaux produits. Les sociétés informatiques et de logiciels ont amélioré leurs processus grâce au minimum de boucles de rétroaction de produit viable et de construction-mesure-apprentissage (BML) dans leur processus NPD. De nombreux articles ont abordé les méthodologies Agile et LS dans les domaines informatique et logiciel. Cependant, il existe une lacune dans la littérature sur l'utilisation de l'Agile ou du LS par les producteurs de produits tangibles ou intangibles de taille d'entreprise. Cette étude évalue l'impact de l'adoption d'outils NPD, de LS et de pratiques Agile sur le processus NPD pour optimiser les performances de l'entreprise sur le marché, en fonction du type de produit. Sur la base d'une enquête, nous avons constaté que les producteurs de produits tangibles sont prêts à adapter leur processus NPD sans adopter les cadres LS et Agile, tandis que les producteurs de produits immatériels poursuivent leur processus NPD en utilisant la structure Agile et LS. Cependant, toutes les entreprises, quel que soit le type de produit, essaient de trouver le bon processus NPD pour leurs limites et leur situation sur le marché. Mots clés: Lean Startup, Développement de nouveaux produits, Agile, Outils NPD, Performance  ABSTRACT: Among new product development (NPD) strategies, Agile and Lean Startup (LS) methodologies were chosen to compare in two different types of companies: service providers and manufacturers (intangible and tangible product producers) based on the number of employees. Agile methodology was developed to improve productivity in software companies in the early 2000s. It improved the NPD process through sprint and routine communication techniques and fast responses to market changes. LS emerged to help leaders make decisions and reduce vagueness for companies launching new products. IT and software companies improved their processes through the minimum viable product and Build-Measure-Learn (BML) feedback loops in their NPD process. Many articles have discussed the Agile and LS methodologies in the IT and software fields. However, there is a gap in the literature on the use of Agile or LS by tangible or intangible product producers with company size. This study assesses the impact of adopting NPD tools, LS, and Agile practices on the NPD process to optimize company performance in the market, as moderated by product type. Based on a survey, we found that tangible product producers are willing to adapt their NPD process without adopting the LS and Agile frameworks, while intangible product producers pursue their NPD process using Agile and LS structure. However, all companies regardless of product type are trying to find the right NPD process for their limitations and situation in the market. Keywords:  Lean Startup, New Product Development, Agile, NPD Tools, NPD Performance


identifier: Tanneau, M. (2020). Exploiting structure in Mixed-Integer Linear and Non-linear Programming  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La programmation mathématique en nombres entiers (PNE), par son caractère générique, permet de formuler de nombreux problèmes de décision de la vie réelle. Ainsi, les outils de PNE sont utilisés quotidiennement pour, par exemple, fabriquer des horaires de personnel ou des itinéraires de véhicules de livraison, opérer des réseaux électriques, gérer des inventaires, ou encore décider de politiques d'investissement. Ce succès est, en grande partie, rendu possible par le développement, au cours des dernières décennies, d'outils logiciels robustes et performants, capables de résoudre efficacement un grand nombre de problèmes pratiques. Toutefois, l'amélioration de tels outils s'est accompagnée d'une augmentation de la diversité, taille et complexité des problèmes que les praticiens cherchent à résoudre, dépassant parfois les capacités des principaux solveurs de PNE. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est le développement d'algorithmes spécialisés, i.e., qui exploitent la structure mathématique d'une classe de problèmes donnée, et leur intégration au sein du cadre algorithmique de la PNE. Ce travail explore ainsi une voie hybride entre solveurs PNE génériques et spécialisés, et se situe à l'intersection entre la conception d'algorithmes de PNE, et leur implémentation pratique. Tout d'abord, nous proposons une formulation PNE pour la gestion d'un réseau électrique comprenant de multiples ressources énergétiques distribuées. Étant donnés la structure du réseau et certains enjeux de respect de la vie privée, le problème est reformulé par décomposition de Dantzig-Wolfe, et résolu par un algorithme de génération de colonnes. Cette approche est générique, i.e., n'importe quel type de ressource peut être pris en compte, et efficace. En effet, des tests numériques montrent que des systèmes comportant plusieurs milliers de ressources peuvent être résolus à l'optimalité. Ensuite, nous présentons la conception algorithmique et l'implémentation de Tulip, un solveur de programmation linéaire basé sur un algorithme de points intérieurs. Plus spécifiquement, le code de Tulip est structuré de façon à permettre l'utilisation de librairies d'algèbre linéaire spécialisées, qui peuvent être implémentées directement par l'utilisateur. Plusieurs tests numériques démontrent l'efficacité du code, tant pour des instances non-structurées que présentant une certaine structure. Dans le premier cas, la performance de Tulip est comparable à celle de solveurs en source libre. Dans le second, l'utilisation de routines spécialisées améliore la performance d'un facteur 10, et rend Tulip compétitif avec les meilleurs solveurs commerciaux. Enfin, nous étudions les aspects pratiques de plans coupants disjonctifs pour l'optimisation conique en variables mixtes. En nous appuyant sur la dualité conique, nous formulons un programme d'optimisation conique pour séparer de tels coupes, et analysons les aspects théoriques de plusieurs normalisations. De plus, nous mettons en lumière certaines difficultés rencontrées dans le cadre d'algorithmes d'approximation polyhédrale, et proposons des extensions à plusieurs techniques initialement proposées dans le contexte linéaire. L'efficacité de notre approche est validée à travers plusieurs expériences numériques, et est compétitive avec la génération de coupes par le solveur CPLEX.  ABSTRACT: The past 70 years have witnessed tremendous performance improvements of algorithms and software for mixed-integer programming. These developments have been met by a likewise increase in the size and complexity of the models that practitioners aim to solve: there is no shortage of challenging problems. In that context, this thesis investigates the use of structure-exploiting techniques within generic optimization paradigms, to tackle large-scale or otherwise intractable instances. In particular, we build on the observation that structureexploiting techniques can often be viewed as specialized implementations of one or several individual components of generic MIP algorithms. First, we consider the coordination of Distributed Energy Resources in power systems. This problem is first formulated as a centralized –but intractable– mixed-integer linear program, then reformulated using Dantzig-Wolfe decomposition and solved by a column-generation algorithm. The proposed framework is generic, i.e., it can handle resources of arbitrary nature, and computationally efficient: problems with thousands or resources are solved to proven optimality in less than an hour. Finally, besides scalability, the decomposition scheme naturally addresses some privacy concerns regarding the operation of individual resources. Second, we focus on structure-exploiting interior-point methods for linear programming. To that end, we develop an open-source interior-point solver, Tulip, whose algorithmic framework is disentangled from linear algebra implementations. This flexible design allows to easily integrate specialized, user-provided linear algebra routines. Through various numerical experiments, we demonstrate the flexibility, efficiency and robustness of the code. Finally, we investigate the separation of disjunctive cutting planes in mixed-integer conic programming, and demonstrate the benefits of exploiting a problem's conic structure. Leveraging conic duality, the separation of disjunctive cuts is formulated in a single cut-generating conic problem (CGCP); this dual perspective offers a number of insights that were unavailable to previous approaches. In particular, we study the theoretical and computational merits of several normalization conditions, including the loss of strong conic duality in the separation problem, and the separation of conic-infeasible points in the context of outer-approximation algorithms. Computational experiments demonstrate the efficiency of the proposed approach on several classes of instances.