identifier: Torres Aurora Dugo, A. (2019). Cache Predictability and Performance Improvement in ARINC-653 Compliant Systems  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis les années 2000, les processeurs multi-coeurs sont développés afin de répondre à une demande croissante en performances et miniaturisation. Ces nouvelles architectures viennent remplacer les processeurs mono-coeurs, moins rentables sur le plan des performances et de la consommation énergétique. De par cette transition, les systèmes avioniques actuels se retrouvent face à un défi de taille. Ces systèmes critiques n'utilisent que des processeurs mono-coeurs, éprouvés et validés depuis des années afin de garantir la fiabilité du système. Cependant, les fabriquants de processeurs et autres microcontrôleur délaissent peu à peu ces architectures pour ne produire que des processeurs multi-coeurs. Afin de maintenir les systèmes avioniques critiques, les intégrateurs doivent alors se tourner vers ces nouveaux processeurs. Cependant, cette transition n'est pas sans défi. Outre le fait de devoir assurer la portabilité des applications mono-coeur dans un environnement multi-coeurs, l'utilisation de plusieurs coeurs permet leur exécution concurrente. Ce nouveau paradigme apporte aux systèmes des comportements qui peuvent entrainer, dans certains cas, un dysfonctionnement complet du système. De tels comportements ne sont pas acceptables dans ces systèmes où la moindre faute peut provoquer des pertes humaines. Les systèmes critiques suivent certaines règles afin de garantir leur intégrité. Le standard ARINC-653 définit un ensemble de règles et de recommandations afin de développer ce genre de systèmes. Le standard introduit le concept de système partitionné où chaque partition s'exécute indépendamment des autres et ne peut pas influer sur le comportement du système ou des autres partitions. Ainsi, si une partition vient à fonctionner anormalement, son exécution ne peut compromettre le bon fonctionnement des autres partitions. Le problème émergeant dans les architectures multicoeurs vient du fait que plusieurs partitions peuvent s'exécuter de manière parallèle. Cette nouvelle possibilité introduit de la concurrence sur les ressources du système, ce qui génère des comportements non prévisibles. Ces comportements, appelés interférences apparaissent lorsque plusieurs coeurs partagent les mêmes ressources. Lors d'un accès à ces ressources (mémoire, périphériques, etc.), un arbitrage doit être fait afin d'assurer l'intégrité des données. Cet arbitrage peut causer des délais dans l'accès à une ressource. De plus si plusieurs partitions accèdent à une même ressource, le concept d'isolation n'est plus respecté. Dans le cas des mémoires caches partagées, une partition peut évincer des données utilisées par une autre partition. Dans ce mémoire, nous étudions la possibilité d'empêcher l'évincement de données des caches privés d'un processeur. Cette méthode, appelée cache locking, permet de réduire le nombre de fautes de cache dans les caches privés et ainsi limiter les accès aux caches partagés. Cela permet de réduire les interférences liées aux caches partagés, non seulementen termes de concurrence d'accès, mais aussi d'évincement non voulus de données dans ces caches. Ainsi nous introduisons un outil de profilage d'utilisation de la mémoire dans les systèmes partitionnés. Nous présentons aussi un algorithme associé à cet outil permettant de sélectionner le contenu des mémoires caches devant être empêché d'être évincé. Cet outil propose un processus complet de traitement des traces d'accès mémoire jusqu'à la création des fichiers de configuration. Nous avons validé notre approche par le biais de simulation et d'expérimentation sur matériel réel. Un système d'exploitation temps réel respectant la norme ARINC-653 a été utilisé afin de conduire nos expérimentations. Les résultats obtenus sont encourageants et permettent de comprendre l'impact des méthodes de caches locking pour les systèmes embarqués multi-coeurs.  ABSTRACT: Due to their energy efficiency and their capability to be miniaturized, multi-core processors have been developed to replace the less cost-effective single-core architectures. Since around year 2000, processor manufacturers slowly stopped producing single-core processors. This raised an issue for avionic system designers. In these critical systems, designers use processors that have proven their reliability through time. However, none of such processors are multi-core. To be able to keep their system up to date, aerospace system designers will have to make the transition to multi-core architectures. This transition brings a lot of challenges to system designers and integrator. Current single-core applications may not be fully portable to multi-core systems. Thus developers will have to make sure the transition is possible for such applications. Multi-core CPUs offer the ability to execute multiple tasks in parallel. From this ability, new behaviors may induce delays, bugs and undefined behaviors that may result in general system failure. In critical systems, where safety is crucial, such comportment is unacceptable. Safety critical systems have to comply with multiple standards and guidance to ensure their reliability. One of the standard Real Time Operating Systems developers may rely on is the ARINC-653. This standard introduces the concept of partitioned systems. In such systems, each partition runs independently and should never be able to modify or impact the behavior of another partition. This concept ensures that if one partition comes to misbehave, the system's integrity is not impacted. In multi-core systems, multiple applications can run in parallel and access hardware and software resources at the same time. This concurrence, if not correctly managed, will introduce delays in execution time, loss of performances and unwanted behaviors. We call interferences any behavior introduced by this concurrence on the resources shared by different cores or partitions. When concurrent accesses to shared components occur, arbitration has to be done to ensure the data integrity. In most cases, this arbitration is the cause of interferences. However, other sources of interference exist. For instance, if two partitions share the same cache, one partition may evict other partition data from the cache. This leads to unpredictable delays when the next partitions will need to access the evicted data. In this thesis, we explore methods to prevent cache line evictions in private processor caches. This work allows to reduce the number of cache misses occurring at the private level, which reduces the amount of access done to the lower memory levels and reduces interferences related to them. We call this method cache locking. We introduce a framework capable of profiling memory accesses done by applications and propose a cache content selection algorithm that selects cache lines to be locked to reduce cache misses in private caches. We present the toll and the associated processing pipeline, from the memory profiling, to the cache locking configuration table generation. We validated our approach on simulated and actual hardware and used a proprietary ARINC-653 compliant system to conduct our experiments. The results obtained are encouraging and allow to understand the impact of private caches and cache locking methods to reduce multi-core interferences in safety-critical systems.


identifier: Xu, P. (2019). Q-matrix Refinement, Design and Derivation  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La Q-matrice établit la correspondance entre les items et les compétences d'un étudiant. Elle revêt une grande importance pour l'évaluation en éducation, mais sa définition et sa validation demeurent un défi, car les véritables relations items-compétences ne peuvent jamais être observées. Les sujets de recherche de cette thèse tournent autour de ce défi, notamment le raffinement d'une Q-matrice définie par un expert, la conception de la Q-matrice la plus efficace, de même que la dérivation de la Q-matrice pilotée par les données. Grâce à l'apprentissage automatique, nous disposons maintenant d'outils puissants pour résoudre ces problèmes. Nous passons d'abord en revue les modèles et algorithmes associés utilisés dans notre recherche, puis consacrons des chapitres distincts à trois sujets et contributions distinctes. Le premier sujet est le problème de l'affinement de la Q-matrice, c'est-à-dire la recherche d'une correspondance plus précise entre les items et les compétences que celle prédéfinie. Après avoir d'abord passé en revue trois techniques de raffinement de matrices-Q, à savoir maxDiff, minRSS et ALS, nous proposons ensuite d'utiliser un arbre de décision pour combiner leurs résultats afin d'améliorer leur performance individuelle. Enfin, nous montrons qu'avec la technique de boosting, nous pouvons encore augmenter les performances de l'arbre de décision. Le deuxième sujet concerne le problème de conception de Q-matrice, qui consiste à trouver une Q-matrice capable de diagnostiquer le plus efficacement possible les profils des étudiants. Nous montrons d'abord que le principe d'identifiabilité est un facteur de qualité déterminant et qu'une Q-matrice non conforme à ce principe ne permet pas d'évaluer correctement les performances des étudiants. Ensuite, les exigences théoriques pour les identifiabilités de paramètres dans le modèle DINA sont passées en revue, car elles servent de guide pour notre stratégie de conception de Q-matrice. Par la suite, nous avons effectué deux expériences pour comparer différentes stratégies de conception de Q-matrice. Le résultat montre que la meilleure stratégie consiste à répéter les vecteurs unitaires lors de la construction d'une Q-matrice. Enfin, une argumentation théorique est avancée pour valider notre revendication de la meilleure stratégie de conception de Q-matrice. Le dernier sujet est le problème de dérivation de la Q-matrice à partir des données de performance observées des étudiants, sans l'aide d'une Q-matrice prédéfinie. Les techniques de Hill Climbing, LASSO, NMF et ALS sont passées en revue, puis nous proposons notre nouvelle méthode non paramétrique, IRPtoQ, qui utilise le résultat d'un algorithme de clustering (agglomération) et interprète les centres de clusters comme des modèles de réponse idéaux. Les performances d'IRPtoQ sont comparées à d'autres algorithmes dans différents contextes d'expérimentation. Les résultats montrent que IRPtoQ surpasse les autres méthodes dans la plupart des cas.  ABSTRACT: Q-matrix as a tool for mapping items to skills is of great importance in educational assessment. However, a Q-matrix is merely a way to manually define the mapping between item and skills, since the genuine relationships between them can never be observed. Therefore, the refinement of an expert-given Q-matrix, the design of the most efficient Q-matrix, and the data-driven derivation of the Q-matrix are the research topics of this thesis. With the help of machine learning, now we have more tools to tackle these problems. We first review the related models and algorithms used in our research and then devote separate chapters to each topic. The first topic is the Q-matrix refinement problem, that is, to find a more accurate mapping between items and skills than pre-given one. We first reviewed three existing techniques, which are maxDiff, minRSS and ALS respectively. Then we propose to use a decision tree to combine their results in order to achieve better performance. Finally, we show that with boosting technique applied, we can even further increase the performance of the decision tree. The second topic is the Q-matrix design problem, which is to find a Q-matrix being able to diagnose student profiles the most efficiently. We first show an example of an unqualified Qmatrix, which fails to correctly assess student performance. Then the theoretical requirements for parameter identifiability in the DINA model are reviewed, as they are the guidance for our Q-matrix design strategy. Subsequently, we run two experiments to compare different Qmatrix design strategies, and the results show that the best strategy is to repeat unit vectors in building a Q-matrix. Finally, a theoretical discussion is offered to validate our claim for the best Q-matrix design strategy. And the last topic is the Q-matrix derivation problem, which is to derive a Q-matrix directly from the observed student performance data, without aid of a pre-given Q-matrix. Techniques of Hill Climbing, LASSO, NMF and ALS are reviewed, then we propose our new nonparameter method, IRPtoQ, which utilizes the result of a clustering algorithm, and interprets the cluster centers as ideal response patterns. The performance of IRPtoQ is compared with other algorithms under different experiment settings. Results show that IRPtoQ is outperforming other methods in most cases.


identifier: Lévesque, R. T. (2019). Consolidation des résidus miniers dans les fosses en présence d'inclusions de roches stériles  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'exploitation d'une mine à ciel ouvert génère d'importantes quantités de rejets miniers, essentiellement sous la forme de roches stériles et de résidus miniers. Ceux-ci sont généralement entreposés dans des haldes à stériles et des parcs à résidus de grandes dimensions dont la gestion, la restauration et la stabilité à long terme représentent des défis majeurs pour l'industrie minière. Les résidus miniers sont souvent produits et transportés à des teneurs en eau élevées, ce qui accroit les risques de liquéfaction, de rupture de digue et de lixiviation de contaminants. La déposition des résidus dans une fosse (lorsque disponible sur le site) pourrait contribuer à réduire ces risques géotechniques et à améliorer la restauration, tout en réduisant la taille des aires d'entreposage en surface. L'utilisation d'inclusions de roches stériles plus perméables a été proposée afin d'accélérer la consolidation des résidus dans la fosse, améliorer leurs propriétés géotechniques et réduire les interactions entre les rejets remblayés et l'environnement. De telles inclusions sont déjà utilisées sur certains sites miniers pour la construction des parcs à résidus en surface.  L'objectif principal de ce mémoire était ainsi d'évaluer l'effet d'inclusions de roches stériles sur la consolidation de résidus miniers déposés dans une fosse au moyen de simulations numériques calibrées à partir d'essais expérimentaux. L'objectif était à la fois d'optimiser le volume d'entreposage dans la fosse (maximiser le tassement) et accélérer la vitesse de consolidation (minimiser le temps de dissipation des pressions interstitielles en excès). Les analyses ont été inspirées du cas de la fosse Doyon, propriété de la mine d'or Westwood (IAMGOLD) et située en Abitibi au Québec. Les résidus miniers étudiés dans ce projet ont été échantillonnés à la mine Westwood (Iamgold) et leurs propriétés hydrogéotechniques ont été mesurées au laboratoire (granulométrie, densité relative, angle de friction interne effectif, densité maximale à l'optimum Proctor modifié). Les paramètres de consolidation ont été déterminés au moyen d'essais de compression en colonne. Ces essais de compression ont été modifiés dans le cadre de cette étude afin d'évaluer la consolidation des résidus sous leur propre poids et en conditions de double drainage. Leur conductivité hydraulique saturée a également pu être mesurée au cours des essais de consolidation. Les échantillons ont été préparés à différentes teneurs en eau et déposés sur différentes épaisseurs afin d'étudier l'effet de ces propriétés sur le comportement hydrogéotechnique des résidus. Au total, 17 essais de compression de 10 paliers de chargement compris entre 0 et 490 kPa ont été réalisés. Les déplacements et les pressions interstitielles étaient mesurés en continu. Chaque palier de chargement durait environ 4 heures. Les essais de compression en colonne ont ensuite été simulés au moyen du code SIGMA/W (GeoSlope). Ces simulations ont permis de vérifier que le code SIGMA/W était en mesure de reproduire de manière satisfaisante les tassements et la dissipation des pressions interstitielles en excès mesurés lors les essais de compression en colonne. Les paramètres du modèle Cam-Clay modifié ont été calibrés à partir des mesures expérimentales, mais les paramètres initiaux ont été peu ou pas modifiés. La validation de la calibration a été réalisé en simulant trois autres essais de compression en colonne. Les résultats obtenus (déplacements, indices des vides et vitesses de consolidation) étaient proches des mesures au laboratoire. Le modèle de comportement Cam-Clay modifié a aussi été comparé aux modèles élasto-plastique et linéaire élastique et a été considéré comme le plus approprié pour la suite des simulations numériques. Le code SIGMA/W a ensuite été utilisé pour simuler le comportement des résidus miniers déposés dans une fosse avec et sans inclusion de roches stériles. Les propriétés des résidus étaient basées sur les simulations des essais en colonnes. Les simulations ont montré que l'ajout d'inclusions de roches stériles (enveloppe perméable, tapis drainant et/ou inclusion drainante centrale) permettait de réduire significativement le temps nécessaire à la dissipation totale des pressions interstitielles en excès dans la fosse et donc la durée de consolidation à proximité des inclusions. Une étude paramétrique a également été réalisée afin d'étudier l'effet de la largeur de la fosse, de l'indice de compression des résidus miniers, de la conductivité hydraulique saturée du roc fracturé et de l'épaisseur des rehaussements en présence d'une enveloppe perméable, d'un tapis drainant et d'une inclusion drainante. Les principales conclusions de cette étude de sensibilité étaient les suivantes :  • L'augmentation de la largeur de la fosse réduisait l'influence des inclusions de roches stériles au centre du modèle sur le tassement et la vitesse de consolidation, mais avait peu d'influence sur le comportement hydrogéotechnique des résidus au sommet et à la base de la fosse ainsi qu'à proximité des inclusions.  • L'utilisation d'un indice de compression sensiblement plus élevé (0,16 au lieu de 0,11) augmentait significativement les tassements et la durée de consolidation simulés (et inversement). L'indice de compression doit donc être mesuré avec précision afin d'obtenir des résultats réalistes dans les simulations numériques et d'établir les plans de déposition. • L'utilisation d'inclusions de roches stériles perméables permet d'accélérer la consolidation des résidus déposés dans la fosse, indépendamment de la conductivité hydraulique du roc.  Les résultats de ce projet devraient être utiles pour mieux orienter la conception de la co-disposition des résidus miniers et des roches stériles dans les fosses.  ABSTRACT: Mining operations generate large quantities of wastes, mainly waste rock and tailings. These are generally stored in waste rock piles and tailings storage facilities whose long-term stability and reclamation represent major challenges for the industry.  Tailings are often produced and transported at high water contents, which contributes to increase the risk for liquefaction, dam failure and contaminant leaching. In-pit disposal (if available on the site) of mine tailings could decrease these geotechnical risks and improve reclamation, while reducing the size of surface storage areas.  Waste rock inclusions were proposed to accelerate the consolidation of tailings, decrease the interactions between backfilled wastes and the environment, and improve the geotechnical properties and strength of tailings. Such inclusions are already used at some mine sites for the construction of surface tailings pound. The main objective of this study was to evaluate the effects of waste rock inclusions on the consolidation of mine tailings deposited in a pit using numerical simulations calibrated from experimental tests. The objective was to optimize both storage volume (maximize settlement) and time of consolidation (minimize the dissipation time of excess pore water pressures). The study was based on the Doyon pit, property of IAMGOLD and located in Abitibi, Quebec. Tailings were sampled at the Westwood mine (IAMGOLD) and characterized in the laboratory (grain size distribution, specific gravity, friction angle, maximum density). The consolidation parameters were determined using column compression tests. These compression tests were modified to evaluate the consolidation of tailings under double seepage conditions and for self-weight consolidation. The saturated hydraulic conductivity was measured during the compression tests. The effect of the initial water content and deposition rate (layer thickness) were also studied in the laboratory. A total of 17 tests with 10 loading steps comprised between 0 and 490 kPa were carried out. Settlement and pore water pressures were recorded continuously. Each loading step lasted for approximately 4 hours. The column compression tests were simulated with the code SIGMA/W (GeoSlope). Numerical simulations were able to represent relatively well the settlement and the dissipation of excess pore water pressure measured during the compression tests carried out on Westwood tailings. The parameters of the Cam-Clay modified model were calibrated based on laboratory tests. However, initial parameters were only slightly or not modified. The calibration of these parameters was validated by simulating three other column compression tests. The simulated displacements, void ratios and consolidation rates were close to laboratory results. The Cam-Clay modified model was also compared to the elastoplastic and the linear elastic models but was considered the more appropriate to carried out further simulations. SIGMA/W code was then used to simulate the behavior of tailings deposited in an open pit with and without waste rock inclusions. The properties of tailings were based on the column test simulations. Simulations showed that waste rock inclusions placed at different positions in the pit (e.g. permeable surround, central inclusion, bottom drain) significantly reduced the time required to attain the total dissipation of excess pore water pressure in the tailings and decreased the consolidation time close to waste rock inclusions. A parametric study was also carried out to evaluate the effect of pit width, tailings compression index, fractured bedrock hydraulic conductivity, and thickness of tailings layers. The main conclusions of this study were: • Increasing the width of the pit reduced the influence of waste rock inclusions on the settlement and the time of consolidation in the center of the model. The width of the pit did not influence the consolidation of tailings near the top and the bottom of the pit and close to inclusions. • The use of a higher compression index (0,16 instead of 0,11) significantly increased settlements and consolidation time simulated. The parameter therefore need to be precisely determined in the laboratory to obtain realistic results with numerical simulations and design deposition. • The use of permeable waste rock inclusions accelerates the consolidation of tailings deposited in the pit, regardless of the saturated hydraulic conductivity of the fractured bedrock The results of this project should be useful to guide the design of co-disposal of tailings and waste rock in open-pits.


identifier: Fafolahan, É. M. O. (2019). Gestion de la mobilité dans les réseaux denses de cinquième génération (5G)  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux de communications mobiles ont connu de profondes avancées technologiques au cours des deux dernières décénnies. La croissance du nombre d'abonnés mobiles ainsi que l'accès à des forfaits de données illimitées, souvent à des tarifs préférentiels, ont engendré une demande de bande passante, de vidéo et de données en forte croissance. Ces progrès significatifs ont favorisé le déploiement de nouveaux services et de nouveaux cas d'utilisation tels que l'Internet-des-objets (IoT), la réalité augmentée et virtuelle, les réseaux de villes intelligentes, les véhicules autonomes et l'automatisation industrielle. Aux technologies existantes, s'ajouteront de nouveaux modes de communication dans le but de répondre à plusieurs cas d'utilisation des réseaux mobiles qui sont encore difficiles à satisfaire à ce jour. Le résultat à long terme de cette nouvelle tournure dans le monde de la réseautique mobile est désigné sous le vocable de réseaux de cinquième génération (5G). Au-delà du déploiement d'applications avancées, les réseaux 5G offriront de nouvelles opportunités de revenus aux fournisseurs de services lorsqu'ils seront combinés aux fonctionnalités avancées telles que l'analyse de données, l'apprentissage automatique et à l'intelligence artificielle. Dans ce contexte, un large consensus est aujourd'hui établit sur la nécessité d'accroître la capacité du réseau par un déploiement massif de cellules de petite taille (Small Cell, SCs), d'un rayon de couverture réduit et à faible puissance. On parle alors d'une ultra-densification du réseau dont le but essentiel est de favoriser la proximité des points d'accès des utilisateurs finaux. Cependant, la densification du réseau implique des relèves fréquentes des usagers mobiles (MNs) entre les SCs et les zones de service. En effet, le rayon de couverture réduit des SCs rend plus complèxe la phase de sélection des relèves en plus d'accroître la fréquence de celles-ci. Ces relèves entraînent des dégradations, des perturbations et des déconnexions qui peuvent entraver l'objectif d'un accès transparent aux services du réseau. En outre, la fréquence des relèves engendre une latence et une charge de signalisation élevées dans le reseau. De plus, l'omniprésence d'applications temps réel exige une latence faible du réseau. Dans ce contexte, la gestion de la mobilité demeure encore un enjeux et il s'avère donc indispensable de concevoir de nouveaux protocoles de gestion de la mobilité capables répondre aux exigences de performances strictes des réseaux 5G.  ABSTRACT: Mobile communications networks have experienced tremendous technological advances in the last two decades. The growth of the number of mobile subscribers and access to unlimited data plans, often at very affordable prices, have led to an increased demand for bandwidth, video and high-growth data. These significant advances have facilitated the deployment of new services and use cases such as Internet-of-things (IoT), augmented and virtual reality, smart city networks, autonomous vehicles, and industrial automation. On top of the existing technologies, new communication modes will arise to respond to several uses cases of mobile systems that are still difficult to meet today. The long-term result of this new trend in the world of mobile networking gives birth to a new paradigm called the fifth generation networks (5G). Beyond deploying advanced applications, 5G networks will offer new revenue opportunities to service providers, when combined with advanced features such as data analytics, machine learning, and artificial intelligence. In this context, a broad consensus is now established on the need to increase the network capacity through a massive deployment of small cells (Small Cell, SCs), with reduced coverage and low power. This requirement led to the ultra-densification of the network whose primary purpose is to promote the proximity of access points to the end-users. However, the densification of the cellular networks involves many mobile nodes (MNs) going through several handovers between the SCs and the service areas. The shorter SC's radius makes the handover selection phase more complex while increasing its frequency. These handovers lead to service disruptions and disconnections that may hinder the provision of seamless mobility of network services. Moreover, the frequency of the handovers generates a high latency and signaling load in the network. Besides, the ubiquity of real-time applications requires low network latency. In this context, mobility management is still an issue, and it is, therefore, essential to design new mobility management protocols that can meet the stringent performance requirements of 5G networks.


identifier: Trabelsi, C. (2019). Stabilizing and Enhancing Learning for Deep Complex and Real Neural Networks  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse nous proposons un ensemble de contributions originales sous la forme de trois articles relatifs aux réseaux de neurones profonds réels et complexes. Nous abordons à la fois des problèmes théoriques et pratiques liés à leur apprentissage. Les trois articles traitent des méthodes conçues pour apporter des solutions aux problèmes de l'instabilité observée au cours de l'entrainement des réseaux, notamment le problème notoire de dilution et d'explosion des gradients ou «vanishing and exploding gradients » lors de l'entrainement des réseaux de neurones profonds. Nous proposons dans un premier temps la conception de modules d'entrainement appropriés, désignés par «building blocks», pour les réseaux de neurones profonds à valeurs complexes. Notre proposition comporte des méthodes d'initialisation et de normalisation ainsi que des fonctions d'activation des unités neuronales. Les modules conçus sont par la suite utilisés pour la spécification d'architectures profondes à valeurs complexes dédiées à accomplir diverses tâches. Ceci comprend des tâches de vision par ordinateur, de transcription musicale, de prédiction du spectre de la parole, d'extraction des signaux et de séparation des sources audio. Finalement nous procédons à une analyse détaillée de l'utilité de l'hypothèse contraignante d'orthogonalité généralement adoptée pour le paramétrage de la matrice de transition à travers les couches des réseaux de neurones réels récurrents.  ABSTRACT: This thesis presents a set of original contributions in the form of three chapters on real and complex-valued deep neural networks. We address both theoretical issues and practical challenges related to the training of both real and complex-valued neural networks. First, we investigate the design of appropriate building blocks for deep complex-valued neural networks, such as initialization methods, normalization techniques and elementwise activation functions. We apply our theoretical insights to design building blocks for the construction of deep complex-valued architectures. We use them to perform various tasks in computer vision, music transcription, speech spectrum prediction, signal retrieval and audio source separation. We also perform an analysis of the usefulness of orthogonality for the hidden transition matrix in a real-valued recurrent neural network. Each of the three chapters are dedicated to dealing with methods designed to provide solutions to problems causing training instability, among them, the notorious problem of vanishing and exploding gradients during the training of deep neural networks. Throughout this manuscript we show the usefulness of the methods we propose in the context of well known challenges and clearly identifiable objectives. We provide below a summary of the contributions within each chapter. At present, the vast majority of building blocks,  techniques, and architectures for training deep neural networks are based on real-valued computations and representations. However, representations based on complex numbers have started to receive increased attention. Despite their compelling properties complex-valued deep neural networks have been neglected due in part to the absence of the building blocks required to design and train this type of network. The lack of such a framework represents a noticeable gap in deep learning tooling.


identifier: Cazals, M. (2019). Application d'une nouvelle technologie de détection enzymatique pour le suivi en quasi-temps réel de la dynamique d'Escherichia coli dans des eaux récréatives  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La contamination fécale des eaux de surface reste l'une des premières causes de maladies d'origine hydrique dans le monde. Les réglementations relatives aux eaux récréatives diffèrent selon les pays, mais la majorité impose des normes exprimées en concentrations maximales acceptables d'Escherichia coli, encore considérée comme le meilleur organisme indicateur de contamination fécale. Néanmoins, les techniques actuelles recommandées pour le suivi de la qualité microbiologique des eaux de surface sont encore essentiellement basées sur la culture, ce qui implique de longs délais (au moins 18h) entre l'échantillonnage et l'obtention des résultats. De plus, seuls des échantillonnages sporadiques sont recommandés dans les réglementations, limitant ainsi l'acquisition d'informations sur la dynamique et le devenir des contaminations fécales détectées. Certaines technologies entièrement automatisées ont été récemment conçues pour la détection rapide (moins de 4h) d'E. coli à travers la mesure d'une enzyme spécifique à la bactérie fécale, l'enzyme β-D-glucuronidase (GLUC).  ABSTRACT: Fecal contamination of freshwaters remains one of the main causes of waterborne diseases worldwide. Recreational waters' regulations vary between countries but most of them fix beach action values in concentrations of Escherichia coli, which is still considered as the best faecal indicator organism. However, current techniques recommended for the monitoring of the microbiological quality of surface waters are essentially based on culture, with inherent long delays of at least 18h between sampling and results. Moreover, sporadic sampling is most often recommended by regulations, limiting the acquisition of knowledge on dynamics and fate of faecal contaminations detected. Some entirely automated and rapid technologies (results in less than 4h) for the online enzymatic detection of E. coli have then been designed.


identifier: Daligault, P. (2019). Application de la synthèse H∞ structurée au co-design d'actionneurs et de lois de commande de satellites  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'optimisation des performances du système d'orientation est un enjeu majeur dans la concep-tion des satellites. La démarche standard est constituée de deux étapes. Dans un premier temps, la conception des pièces mécaniques de telle sorte qu'elles soient dimensionnées au mieux par rapport aux efforts auxquels elles seront confrontées. Ensuite, le système de commande est synthétisé afin d'assurer que le comportement du satellite respecte bien les contraintes du cahier des charges que cela soit en temps de réponse, en précision de pointage ou limitation de consommation en énergie par exemple. Les performances ainsi obtenues sont souvent satisfaisantes, mais de récentes études poussées par la mise au point de nouvelles synthèses de contrôleur comme la synthèse H1 structurée ont montré qu'une conception intégrée pourrait être envisagée : le co-design. Au lieu de séparer conception mécanique et synthèse de correcteur, il s'agit ici d'optimiser ces deux systèmes en parallèle dans le but d'obtenir des performances optimales. L'objectif de ce projet de recherche est donc de développer une démarche visant à optimiser en parallèle la structure mécanique des actionneurs et la commande en orientation d'un satellite afin d'obtenir des performances supérieures. Dans une première partie, on présente la modélisation d'un satellite en orbite autour de la Terre, en prenant soin de bien inclure la mécanique associée aux actionneurs embarqués ; ce modèle est ensuite linéarisé pour les besoins de l'étude. Une seconde partie est consacrée à la présentation de la synthèse H1 structurée et de la théorie sous-jacente afin d'introduire les fonctions Matlab utilisées dans ce mémoire pour réaliser le co-design du système de commande en orientation du satellite. Ensuite, une démarche est développée à partir de ces fonctions Matlab afin de démontrer l'efficacité et l'intérêt de la méthode proposée. Le co-design est alors appliqué au cas de la commande en orientation d'un satellite en réduisant la consommation en puissance d'un système composé de roues de réaction. Les fonctions utilisées sont détaillées afin d'éclaircir le fonctionnement de système et comment cette fonction est appliquée au co-design de systèmes. De plus, l'influence du nombre de paramètres réglables est étudiée afin de conclure sur l'intérêt du co-design par rapport à la conception classique. Finalement, un autre exemple d'application est présenté dans le cas d'un système d'orientation d'un nanosatellite.  ABSTRACT: Optimizing the performance of the orientation system is a major challenge in satellite design. The standard approach consists of two steps. First, the design of the mechanical parts so that they are adequately dimensioned in relation to the forces with which they will be confronted. Then, the control system is synthesized to ensure that the satellite's behaviour complies with the requirements of the specifications, whether in terms of response time, pointing accuracy or energy consumption limitation, for example. The performances thus obtained are often satisfactory, but recent studies pushed by the development of new controller syntheses such as the structured H1 synthesis have shown that an integrated design could be considered, namely co-design. Instead of separating mechanical design and controller synthesis, the aim here is to optimize these two systems in parallel in order to obtain optimal performance. The objective of this research project is therefore to develop an approach aimed at optimizing in parallel the mechanical structure of the actuators and the orientation control of a satellite in order to obtain superior performance. In the first part, we present the modeling of a satellite in orbit around the Earth, taking care to include the mechanics associated with on-board actuators; this model is then linearized for the purposes of the study. A second part is devoted to the presentation of the structured H1 synthesis and the underlying theory in order to introduce the Matlab functions used in this thesis to realize the co-design of the satellite orientation control system. Then, an approach is developed based on these Matlab functions to demonstrate the effectiveness and interest of the proposed method. Co-design is then applied to the case of satellite steering control by reducing the power consumption of a system composed of reaction wheels. The functions used are detailed to clarify how systune works and how this function is applied to system co-design. In addition, the influence of the number of adjustable parameters is studied in order to conclude on the interest of co-design compared to conventional design. Finally, another example of application is presented in the case of a nanosatellite orientation system. It is shown that the methodology implemented makes it possible to obtain optimized actuator dimensions and controller gains directly from the constraints of the specifications in order to reduce mass and occupied space.


identifier: Richard, S. (2019). Gestion de portefeuille de projets d'Industrie 4.0 au sein d'entreprises manufacturières  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'arrivée d'une quatrième révolution industrielle, mieux connue sous le nom d'Industrie 4.0 (I4.0), promet des améliorations de la productivité, de la flexibilité et de l'intégration des systèmes de production. Pour répondre à ce défi, les entreprises doivent numériser leurs processus en implantant divers leviers technologiques, ce qui devrait favoriser les décisions décentralisées grâce à la connectivité des systèmes et la communication en temps réel. Malgré l'intérêt croissant des communautés scientifiques et industrielles à propos d'I4.0, il semble qu'aucune méthode ne permet aux entreprises manufacturières de sélectionner et de prioriser les différents leviers technologiques nécessaires lors d'une implantation. De ce fait, nous constatons que le nombre d'opportunités et de solutions potentielles est innombrable et que peu d'auteurs ont abordé la question du choix et de la planification d'un grand nombre de projets d'amélioration dans la littérature. D'ailleurs, les études ont plutôt tendance à se concentrer sur l'évaluation et l'implantation d'une seule technologie alors que la transformation d'une usine intelligente nécessite une consolidation et une coordination de maintes initiatives afin d'atteindre l'objectif recherché. Nos recherches, basées sur la littérature scientifique et sur les observations faites en entreprise, nous ont donc permis de mieux comprendre comment cette composante devient primordiale. Sans une méthode claire et structurée, les entreprises manufacturières ne sont pas en mesure d'initier de manière efficace la numérisation de leur processus via un déploiement des leviers technologiques d'I4.0. Lors de ce projet de recherche, une entreprise manufacturière de l'industrie textile et de produits textiles a clairement démontré la nécessité de concevoir une méthode simple pour organiser sa transformation d'une usine traditionnelle vers une usine intelligente, puisqu'elle est sensibilisée aux difficultés que ce changement apporte. La méthodologie DRM (Design Research Methodology) a été employée afin de répondre à cette problématique. Cette méthodologie de recherche appliquée mixte, jumelant des études empiriques et des approches scientifiques, nous a permis de développer et de valider une méthodologie de planification d'une transformation 4.0. Dans ce contexte, nous proposons une approche combinant les méthodes et techniques existantes propres aux projets de mise en oeuvre d'Industrie 4.0 et aux pratiques courantes de gestion du portefeuille de projets. Par conséquent, la méthode de gestion de portefeuille proposée permet de structurer et de planifier plusieurs projets liés à la transformation d'Industrie 4.0. Elle est donc mieux adaptée pour les entreprises manufacturières désirant numériser leurs processus en implantant divers leviers technologiques d'Industrie 4.0. De plus, l'approche de gestion de portefeuille proposée est conforme à la définition formelle d'une méthode en proposant à la fois une séquence d'activités définies et en déterminant clairement les techniques et livrables attendus pour chacune d'elle. Cette méthode fut appliquée à un contexte réel d'entreprise manufacturière désirant s'intégrer à Industrie 4.0, ce qui nous a permis de définir un portefeuille de projets d'Industrie 4.0 pour cette entreprise de l'industrie du vêtement et, par le fait même, de confirmer la faisabilité de la méthode. Par conséquent, elle constitue un premier pas dans la sélection et priorisation de différents leviers technologiques d'I4.0 pour les entreprises manufacturières, grâce à une méthode claire et structurée, qui peut facilement être adaptée au contexte de chaque entreprise.  ABSTRACT: The arrival of a fourth industrial revolution, better known as Industry 4.0 (I4.0), promises improvements in productivity, flexibility and integration of production systems. To meet this challenge, companies must digitize their processes by implementing various technological levers, which should in fact encourage decentralized decision-making through system connectivity and real-time communication. Despite the growing interest of the scientific and industrial communities in I4.0, it seems that there is no method by which manufacturing companies can select and prioritize the various technological levers required during implementation. As a result, we find that the number of opportunities and potential solutions is countless and that few authors have addressed the issue of selecting and planning a large number of improvement projects in the literature. Moreover, studies tend to focus on the evaluation and implementation of a single technology, while the transformation of an intelligent plant requires the consolidation and coordination of many initiatives to achieve the desired objective. Our research, based on the scientific literature and on observations made in a company, has therefore allowed us to better understand how this component becomes essential. Without a clear and structured method, manufacturing companies are not able to effectively initiate the digitization of their processes through the deployment of I4.0 technology levers. During this research project, a manufacturing company in textile industry clearly demonstrated the need to design a simple method to organize its transformation from a traditional to an intelligent plant, since it is aware of the difficulties that this change brings. The Design Research Methodology (DRM) was used to address this issue. This mixed applied research methodology, combining empirical studies and scientific approaches, has allowed us to develop and validate a method for planning a 4.0 transformation. In this context, we propose a method that combines existing methods and techniques specific to Industry 4.0 implementation projects and to current project portfolio management practices. As a result, the proposed portfolio management method allows for the structuring and planning of several projects related to Industry 4.0 transformation. It is therefore better suited for manufacturing companies wishing to digitize their processes by implementing various technological levers of Industry 4.0. In addition, the proposed portfolio management approach is consistent with the formal definition of a method by proposing both a sequence of defined activities and a clear definition of the techniques and deliverables expected for each method. This method was applied to a real manufacturing company context wishing to integrate with Industry 4.0, which allowed us to define a portfolio of Industry 4.0 projects for this company in apparel industry and therefore, to confirm the feasibility of the method. Consequently, it represents a first step in the selection and prioritization of different I4.0 technological levers for manufacturing companies, through a clear and structured method, which can easily be adapted to the context of each company.


identifier: Mustafy, T. (2019). The Short and Long Term Effects of in Vivo Cyclic Axial Compression Applied During Puberty on Bone Growth, Morphometry and Biomechanics  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Pendant la croissance rapide pubertaire, les os sont sensibles aux stimuli mécaniques environnants. Les sollicitations mécaniques telles que les activités physiques fréquentes peuvent contribuer positivement au développement du squelette. Ces activités peuvent entrainer de faibles impacts (comme la marche, la natation, etc.) ou des impacts élevés (comme la course, le saut, etc.) selon la nature de l'activité physique. En plus de la charge mécanique, les facteurs nutritionnels contribuent également de manière significative au développement osseux pendant les périodes de croissance. Les effets des charges d'impact sur la croissance et le développement osseux au cours de l'adolescence ont été investigués par plusieurs chercheurs dans des études animales et cliniques, mais les résultats sont variables. Les recherches antérieures n'ont pas clairement abordé les effets isolés du chargement d'impact par rapport aux facteurs nutritionnels lors de l'évaluation de la croissance et du développement osseux. De plus, on ne sait toujours pas si les effets induits par les charges mécaniques pendant l'adolescence persistent à l'âge adulte et influencent les propriétés structurelles osseuses à long terme. L'objectif de cette thèse était d'évaluer in vivo les effets des charges cycliques en compression faibles, moyennes et élevées appliquées pendant la puberté sur la croissance osseuse (à maturité squelettique) ainsi que sur la qualité osseuse et la résistance mécanique (à l'âge adulte) en utilisant un modèle animal (tibia de rat). Cet objectif a été atteint en complétant quatre études complémentaires. Tout d'abord, une dose d'exposition aux rayons X à haute résolution mais sécuritaire a été déterminée pour l'imagerie in vivo répétée par micro-CT des tibias de rat en croissance qui n'affecterait pas la croissance ou la microstructure osseuses. Deuxièmement, relation contraintes-déplacements a été établie pour les tibias pendant la période de croissance pubertaire du rat. Un outil de modélisation informatique a également été mis au point et validé pour évaluer les contraintes de l'os sous compression. Troisièmement, les effets de trois niveaux de charges cycliques en compression à la puberté sur la croissance osseuse, la morphométrie et la biomécanique ont été évalués à maturité du squelette. Enfin, les effets de ces trois niveaux de charges cycliques en compression appliquées à la puberté sur la microstructure osseuse ont été évalués à la maturité du squelette et après près d'un an d'entraînement à l'âge adulte. Dans la première étude, trois doses de rayonnement micro-CT de 0,83, 1,65 et 2,47 Gy ont été testées.  ABSTRACT: During the adolescent period, rapidly growing bones react sensitively to induced mechanical stimuli. Mechanical loadings such as daily physical activities can positively contribute to skeletal development. They can range from low impact activities (such as walking, swimming, etc.) to high impact activities (such as running, jumping, etc.) depending on the nature of the physical activity. Along with mechanical loading, nutritional factors also significantly contribute to bone development during growth periods. The effects of impact loadings on bone growth and development during the adolescent period have been investigated by several researchers in animal and clinical studies, but results are inconsistent. Previous research has not clearly addressed the isolated effects of impact loading from nutritional factors while evaluating bone growth and development. Moreover, it is still unclear whether the effects induced by mechanical loading during adolescence remains in adulthood and influence bone structural properties in the long term. The objective of this thesis was to evaluate the effects of in vivo low, medium, and high cyclic axial compression applied during puberty on bone growth (at skeletal maturity) as well as on bone quality and mechanical strength (at adulthood) using an animal (rat tibia) model. This objective was achieved by conducting four interconnected studies. First, a safe yet high-resolution effective radiation dose was determined for repeated in vivo micro-CT scanning of the growing rat tibiae, which would not affect bone growth or microstructure. Secondly, rat tibial displacements vs strains relationships were established for the adolescent growing period via a strain calibration study. A computational modeling tool was also developed and validated for assessing bone strains under compressive loading. Thirdly, the effects of three different cyclic axial compression during puberty on bone growth, morphometry and biomechanics were assessed at skeletal maturity. Finally, the effects of three different cyclic axial compression during puberty on bone microstructure were assessed both at skeletal maturity and after almost a year of detraining period at adulthood. In the first study, three micro-CT radiation doses of 0.83, 1.65 and 2.47 Gy were tested. The right tibiae of male Sprague-Dawley rats were scanned using an in vivo micro-CT scanning protocol from their 4th to 12th week of age with these radiation doses. The left tibiae were used as control. The left tibiae were only scanned on the last day, before sacrifice. Bone marrow cells were investigated, bone growth rates and histomorphometric analyses were performed, and bone structural parameters were determined for both left and right tibiae.


identifier: Kermansaravi, Z. (2019). Linguistic Anti-Patterns: Impact Analysis on Code Quality  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les “mauvaises odeurs” de conception sont des structures qui indiquent une violation des principes fondamentaux de conception et qui nuisent à la qualité des systèmes logiciels. Ils représentent des choix d'architectures, de conception, et d'implémentation qui doivent être suivis et améliorés. Dans ce travail, on considère deux sous types de ces “mauvaises odeurs” qui sont les anti-patrons de conception (DAPs) et les anti-patrons linguistiques (LAs). Les anti-patrons de conception (DAPs) sont les patrons que les développeurs considèrent comme étant des bonnes solutions à certains problèmes mais qui ont en réalité un impact négatif sur la qualité des logiciels. Des études récentes ont démontré que les anti-patrons rendent la maintenance logicielle plus difficile dans les systèmes orientés objets ainsi qu'ils augmentent le changement et les défaillances. Le concept d'anti-patrons linguistiques (LAs) fait référence aux mauvaises pratiques de nommage, de documentation et de l'implémentation du code source qui peuvent négativement impacter la qualité des systèmes logiciels et la compréhension du programme. Contrairement aux anti-patrons, les patrons de conception (DPs) présentent une solution prometteuse qui sert à améliorer la qualité des systèmes orientés objets. Dans certains cas, les patrons de conception et contrairement à ce qui est connu, peuvent avoir aussi un impact négatif sur la qualité logicielle. Pour cela, nous considérons également les patrons de conception dans ce travail afin d'étudier leurs comportements et leurs qualité au cours de l'évolution des logiciels. Avoir une bonne qualité logicielle est primordial pour contrôler et réduire les coûts de la maintenance des systèmes orientés objets. Il est important de disposer de mécanismes permettant de mesurer la qualité logicielle. Cependant, la qualité a des différentes significations qui peuvent être par exemple la capacité d'un système à changer à faible coût ou même l'absence de bogues dans le logiciel. Dans cette thèse, nous considérons comme mesures indirectes de la qualité: la compréhension du code, la propension au changement, et la prévalance de fautes. Au cours de l'évolution d'un logiciel, les développeurs risquent d'introduire des anti-patrons durant leurs tâches de développement (fixer des bogues, ajouter des nouvelles fonctionnalités, ou même appliquer des nouvelles exigences). Dans cette thèse, nous avons étudié l'impact des anti-patrons de conception, les anti-patrons linguistiques, et les patrons de conception sur la qualité logicielle.  ABSTRACT: Design smells are bad practices in software design that lower the quality of software systems. They represent architectural, design, and implementation choices that should be tracked and removed. We consider design anti-patterns (DAPs) and linguistic anti-patterns (LAs) as two special types of design smells in our work, in contrast to design patterns (DPs). DAPs are software patterns that are thought by developers to be good solutions to some design problems but that have actually a negative impact on quality. Recent studies have brought evidence that DAPs make maintenance more difficult in object-oriented systems and increase change- and fault-proneness. LAs refer to bad practices of naming, documentation, and implementation of code entities, which could decrease the quality of software systems and have a negative impact on program comprehension. Opposite to design smells, DPs are promising solutions to improve the quality of object-oriented systems. Yet against popular wisdom, design patterns in practice can impact quality negatively. Achieving good quality is important to control and reduce the maintenance cost of object-oriented systems. This goal requires means to measure the quality of systems. However, quality has different meanings, e.g., the capacity of a system to change at low cost or the absence of bugs. In this thesis, we consider code understanding, change-proneness, and fault-proneness as three proxy measures for quality.


identifier: Boucaud, L. (2019). Mécanismes d'attention pour les modèles convolutifs dans le cadre de la prédiction de trajectoires  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette maîtrise porte sur le problème de prédiction des mouvements des usagers de la route de différents types (piétons, cyclistes, automobilistes...) interagissant ensemble au sein d'intersections. Prédire les déplacements futurs d'agents présente un intérêt dans divers domaines comme les voitures autonomes et les analyses de sécurité routière. Si diverses approches ont été proposées pour traiter ce problème, l'explosion récente des performances des méthodes d'apprentissage profond dans des domaines comme la vision par ordinateur ou le traitement du langage naturel a conduit à son utilisation pour la tâche de prédiction de trajectoires. Un intérêt majeur de l'apprentissage profond étant de ne pas devoir définir manuellement les caractéristiques pertinentes à utiliser pour réaliser une prédiction, mais laisser les modèles l'apprendre automatiquement. Des modèles simples ont été proposés, prédisant la future trajectoire d'un agent en se basant uniquement sur son déplacement passé. Ces modèles peuvent être considérés comme naïfs puisque n'ayant pas conscience de l'environnement dans lequel l'agent évolue. Cet environnement est constitué tant d'une dimension sociale, c'est-à-dire l'influence mutuelle des agents sur leurs déplacements respectifs, que d'une dimension spatiale, c'est-à-dire l'influence que la structure de l'intersection (routes, bancs, lampadaires, obstacles en tous genre...) a sur le chemin des agents. Des modèles plus complexes ont été proposés pour prendre en compte ces interactions lors de la prédiction de la future trajectoire d'un agent. Parmi ces modèles, on retrouve les mécanismes d'attention. Directement importés du domaine du traitement du langage naturel, ils permettent d'entraîner un réseau de neurones à associer automatiquement à chaque élément d'un ensemble une pertinence relative aux autres éléments en se basant sur le contexte de prédiction. Dans le cadre de la traduction de langage, les éléments sont les mots de la phrase à traduire et le contexte de prédiction les mots déjà traduits. Pour la tâche de prédiction, ces modèles ont été transposés de deux manières différentes. Pour prendre en compte les interactions entre un agent et l'intersection qu'il parcourt, on utilise un mécanisme d'attention visuelle qui permet étant donnée l'image d'une scène en vue de dessus, de juger de la pertinence de chaque partie de l'image pour prédire la future position de l'agent. Pour prendre en compte les interactions d'un agent avec les autres agents, on utilise un mécanisme de soft-attention permettant de juger de la pertinence de chacun des agents présents dans la scène pour prédire la future position de l'agent. Ces mécanismes d'attention reposent sur l'architecture encodeur/décodeur utilisant des réseaux de neurones récurrents comme modèle de base. Les réseaux de neurones récurrents sont d'ailleurs en général utilisés dans la majorité des études de prédiction de futures trajectoires en apprentissage profond. Cependant, un petit nombre d'études ont montré que les réseaux de neurones convolutifs étaient capables d'obtenir de meilleures performances que les réseaux de neurones récurrents pour des approches naïves. En transposant directement les mécanismes d'attention du domaine du traitement du langage naturel au domaine de prédiction de trajectoire, aucune interrogation n'est portée sur la sémantique de ces modèles. Ils imposent notamment l'utilisation de l'architecture récurrente  encodeur/décodeur, obligeant à prédire séquentiellement les futures positions et à recalculer le module d'attention pour prédire chacune des futures positions. Dans ce travail, nous faisons l'hypothèse que les mécanismes d'attention ainsi proposés apportent une information redondante augmentant inutilement leur temps de prédiction. On propose d'adapter les mécanismes d'attention visuelle et de soft-attention afin de pouvoir les utiliser avec des réseaux de neurones convolutifs. On fait l'hypothèse que ces nouvelles architectures permettront de réduire drastiquement le temps de prédiction tout en conservant une qualité de prédiction équivalente.  ABSTRACT: This work addresses the problem of trajectory prediction of agents of various types such as pedestrian and cyclists interacting with each other within scenes. Predicting agents future paths can be useful in the field of autonomous driving for example. The recent and fast development of Deep Learning algorithms showing groundbreaking performance in fields such as Computer Vision and Natural Language Processing led it to be used for predicting agent future paths. Naïve models, e.g. models that use only past motion in order to predict the future one, have been developed. These models don't make use of the agent environment. The environment is mainly composed of a social part regrouping the interactions between agents, and a spatial part, regrouping the interactions between an agent and the scene in which it moves. More advanced models were built to make use of the environment, based on the idea that the future motion of an agent isn't independent of its surrounding environment. Amongst those models, attention mechanisms stand out. Taken from Natural Language Processing, they allow a neural network to automatically select relevant information from a set of element based on some prediction context. For instance, for language translation, the elements might be the words of the sentence to be translated and the prediction context the already translated words. In the field of future path prediction, attention mechanisms were used in two different ways. A spatial attention mechanism, making use of the Visual Attention model which allows the model to select the relevant parts of an image of the scene, accounting for spatial context, in the next position prediction. And a soft-attention mechanism to select which agents are relevant in predicting one agent next position, accounting for social context. Those attention mechanisms are based on the sequence-to-sequence or (encoder/decoder architecture) using Recurrent Neural Networks as base component. Recurrent-based approaches are mainly used for trajectory prediction. Some studies showed that Convolutional Neural Networks could be used as well, showing better performances than their recurrent counterpart for naïve approaches. By directly transposing the attention mechanisms from Natural Language Processing to trajectory prediction, no interrogation is carried on the semantics of these models. In particular, they require the use of the sequence-to-sequence architectur making it necessary to predict the future positions sequentially and to recalculate the attention module in order to predict each of the agent next positions. In this work, we make the hypothesis that the attention mechanisms, thus proposed bring redundant information unnecessarily increasing their prediction time. We want to adapt those mechanisms in order to be able to use them with convolutional neural networks. We think that these new architectures will drastically reduce the prediction time while maintaining the prediction quality.


identifier: Quesnel, F. (2019). Trois variantes du problème de rotations pour une approche semi-intégrée de la planification d'horaires de personnel aérien  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les horaires d'équipages aériens sont généralement créés à l'aide d'une procédure séquentielle impliquant la résolution de deux problèmes : le problème de rotations d'équipage (CPP) et le problème d'horaires personnalisés (CRP). Le CPP crée un ensemble de rotations couvrant tous les vols d'une période donnée à coût minimum. Une rotation est une séquence de vols, repositionnements, connexions et repos s'étalant sur un ou plusieurs jours, et qui doit être assignée à un équipage composé de plusieurs membres (pilote, copilote, agent de bord, etc.). Une rotation doit également débuter et se terminer à la même base (aéroport où sont affectés des membres d'équipage), et satisfaire plusieurs contraintes imposées par les autorités, ainsi que par les conventions collectives en place. Le CRP utilise les rotations créées par le CPP afin de construire un horaire personnalisé pour chaque membre d'équipage. Les horaires personnalisés doivent couvrir toutes les rotations et doivent également satisfaire un ensemble de contraintes. Le principal désavantage de cette procédure séquentielle est que l'ensemble de rotations générées par le CPP est généralement inadéquat pour le CRP. Par exemple, certains vols doivent être opérés par un équipage possédant des qualifications spécifiques (e.g. des qualifications de langues). Il est possible que dans la solution du CPP, ces vols soient dispersés dans un grand nombre de rotations, de sorte qu'il soit impossible de créer un horaire respectant toutes les contraintes de qualification. Idéalement, il serait préférable de résoudre un seul problème d'optimisation intégrant la création de rotations et la composition d'horaires personnalisés. Bien que de telles approches aient été proposées dans la littérature, les temps de calcul nécessaires à l'obtention de solutions de qualité sont prohibitifs pour des instances de grande taille. Les approches semi-intégrées permettent de surmonter certaines limites de l'approche séquentielle, en évitant les conséquences négatives des approches intégrées. Ces méthodes sont des variantes de l'approche séquentielle dans lesquelles la formulation mathématique du CPP est enrichie. L'idée est d'inclure dans le CPP certains éléments qui sont traditionnellement traités au niveau du CRP, afin de créer des rotations qui sont mieux adaptées au CRP. Dans cette thèse, nous étudions trois variantes du CPP qui conviennent aux approches semiintégrées. Chacune de ces variantes est définie comme un problème de partitionnement d'ensemble avec contraintes supplémentaires dans lequel les variables de décision principales sont associées à des rotations réalisables. Ces problèmes sont résolus par un algorithme de génération de colonnes qui utilise un problème maître restreint pour sélectionner les rotations et des sous-problèmes pour générer des rotations à ajouter au problème maître restreint. Dans le premier sujet de cette thèse, nous nous intéressons au CPP avec contraintes de base (CPPBC). Les contraintes de base pénalisent le temps de travail excédentaire à chaque base, afin de distribuer équitablement la charge de travail entre les différentes bases. Bien que la plupart des logiciels commerciaux incorporent des contraintes de base dans le CPP, aucune étude scientifique ne s'est penchée sur leur impact sur le processus de résolution du CPP. Nous montrons qu'en présence de contraintes de base assez restrictives, les algorithmes de branchement heuristiques traditionnellement utilisés peinent à obtenir une solution entière de qualité. Ces algorithmes prennent un plus grand nombre de décisions de branchement risquées, ce qui nuit à la qualité des solutions obtenues. Afin de remédier à ce problème, nous développons un algorithme de branchement heuristique, appelé branchement rétrospectif, qui élimine certaines mauvaises décisions de branchement lorsque l'écart relatif entre la meilleure solution fractionnaire et la solution fractionnaire au noeud courant est trop grand, et ce, sans avoir à effectuer de retour en arrière. L'algorithme de branchement rétrospectif est testé sur sept instances hebdomadaires. Nous montrons que le branchement rétrospectif permet d'obtenir des solutions de meilleure qualité qu'avec les autres méthodes de branchement couramment utilisées, en des temps de calcul raisonnables. L'algorithme de branchement rétrospectif est présentement implémenté dans un logiciel commercial de planification aérienne, et a été utilisé afin d'obtenir des solutions de qualité pour des problèmes contenant plusieurs dizaines de milliers de vols par mois. Dans le deuxième article de cette thèse, nous proposons une variante du CPP, appelée CPP avec caractéristiques complexes (CPPCF), qui prend en compte les préférences de vols et de vacances des membres d'équipage, dans le but d'augmenter la satisfaction de ceux-ci envers leurs horaires. Pour ce faire, nous identifions six caractéristiques des rotations en lien avec les préférences des membres d'équipage et qui pourraient être bénéfiques au CRP. Un bonus est accordé aux rotations contenant une ou plusieurs de ces caractéristiques, de manière à favoriser leur présence dans la solution retournée. La méthode de résolution du CPP est adaptée au CPPCF : nous modifions les règles de dominance de l'algorithme d'étiquetage utilisé pour résoudre les sous-problèmes. Cela permet de résoudre les sous-problèmes du CPPCF en des temps raisonnables. L'efficacité de cette méthode est démontrée sur sept instances mensuelles. Nous montrons que les solutions obtenues à l'aide du CPPCF permettent la création d'horaires personnalisés dans lesquels un plus grand nombre de préférences sont accordées, augmentant ainsi la satisfaction des membres d'équipage. Le troisième sujet de cette thèse porte sur les contraintes de langues. Il s'agit de contraintes sur les qualifications linguistiques pour l'équipage de certains vols. Cette recherche est fectuée dans un contexte de création d'horaires pour les agents de bord. Le respect des contraintes de langues est primordial pour les compagnies aériennes qui désirent offrir un service sécuritaire et de qualité. Or, les méthodes actuelles sont inadéquates pour traiter les problèmes contenant un grand nombre de contraintes de langues et peu de membres d'équipage parlant ces langues. En effet, le CPP ne prend pas en considération les contraintes de langues, de sorte que les vols qui possèdent des contraintes de langues similaires se retrouvent distribuées dans un grand nombre de rotations. Nous formulons le CPP avec contraintes de langues (CPPLC), une variante du CPP qui favorise le regroupement de plusieurs vols ayant les mêmes contraintes de langues à l'intérieur d'une rotation. La difficulté principale que pose cette variante est l'explosion combinatoire du nombre de sous-problèmes. Nous mettons de l'avant une stratégie de sélection de sous-problèmes dans laquelle un petit ensemble de sous-problèmes prometteurs est résolu à chaque itération de génération de colonnes. Nous développons également une stratégie d'accélération permettant de diminuer significativement les temps de calcul au début du processus de résolution. Nous montrons que l'utilisation du CPPLC permet de réduire considérablement le nombre de contraintes de langues violées dans les horaires personnalisés. Bien que seules les contraintes de langues soient traitées, la méthode proposée pourrait également s'appliquer à une grande variété de contraintes de qualification, autant pour les agents de bord que pour les pilotes et copilotes.  ABSTRACT: Aircrew scheduling is usually performed according to a two-step sequential procedure: crew pairing and crew rostering. While the crew pairing problem (CPP) finds a set of pairings that covers the legs of a given period at minimum cost, the crew rostering problem (CRP) uses those pairings in order to create a personalized schedule for each crew member. A pairing is a sequence of legs, deadheads, connections and rests spanning over one or multiple days, and that can be assigned to a crew member. A pairing must also begin and end at the same crew base (airport where crew members are stationed), and comply with many rules imposed by airline authorities as well as collective agreements. The crew schedules must cover all pairings, and are also subject to many regulations. The main drawback of this sequential approach is that the set of pairings produced by the CPP is often ill-suited for the CRP. For instance, the CPP solution might assign too much work to a given base, resulting in an imbalance in the work distribution among the bases. Ideally, both steps would be integrated into a single optimization problem. Even though many such approaches have been proposed in the literature, computing times required to solve those integrated problems are prohibitive, even for small-sized instances. Semi-integrated approaches are designed to overcome some limitations of the sequential approaches, without unduly increasing computing times. The main idea is to solve a variant of the CPP that includes some elements that traditionally belong in the CRP. This enables the CPP to create pairings that are better-suited for the CRP. In this thesis, we study three such CPP variants. Each variant is formulated as a setpartitionning problem with additional constraints, in which the main decision variables are associated with feasible pairings. These problems are solved by a column generation algorithm that uses a restricted master problem to select the pairings and multiple subproblems to generate the pairings to add to the restricted master problem. In the first subject of this thesis, we study the CPP with base constraints (CPPBC). Base constraints penalize excess work performed at each crew base in order to evenly distribute the workload among them. Although most commercial softwares include base constraints in the CPP, no academic research has studied their impact on the existing solution methods. Preliminary tests show that when base constraints are very restrictive, the heuristic branching algorithms traditionally used struggle to find a good-quality integer solution: they take a larger number of risky branching decisions, which negatively impact the quality of the solutions. We develop a new heuristic branching scheme, called retrospective branching, that identifies risky branching decisions in the branch-and-bound tree, and removes poor branching decisions when the gap between the current and the best fractional solution becomes too large, without backtracking. The proposed method is tested on seven weekly instances. We show that the retrospective branching algorithm produces solutions of better quality than with the other commonly used branching methods, in reasonable computing times. The retrospective branching is currently implemented in a commercial crew scheduling software, and has been used to obtain good-quality solutions to monthly instances containing tens of thousands of legs. In the second subject of this thesis, we propose a variant of the CPP, called the CPP with complex features (CPPCF) which takes into account legs and vacations preferences of crew members, with the aim of increasing the number of preferences awarded in the CRP, and thus, crew member satisfaction towards their schedule. We identify six pairing features related to those preferences, which could be beneficial to the CRP. Pairings containing one or more of those features are granted a bonus in order to promote their presence in the solutions. The solution method for the CPP is adapted to the CPPCF. We modify the dominance rules of the labeling algorithm used to solve the subproblems, based on the values of new state resources. The proposed method is tested on seven monthly instances. We show that using the CPPCF allows for a significantly higher number of awarded preferences in the CRP. The third subject of this thesis deals with language constraints — constraints on the language qualifications of the crew operating some legs. Satisfying these constraints is essential for airlines, which would otherwise have to pay high penalties, or even cancel some legs. Current methods are inadequate to deal with problems containing a large number of language constraints and few crew members with language qualifications. This is because the CPP does not account for language constraints, resulting in a spreading of the legs with language constraints among many pairings. We study this problem in the context of cabin crew scheduling. We formulate a CPP variant, called CPP with language constraints (CPPLC), which favors the grouping of legs with similar language constraints within the same pairing. The main challenge in solving the CPPLC is the combinatorial explosion in the number of subproblems. We put forward a subproblem selection strategy in which only a fraction of these subproblems are solved at each column generation iteration. We show that taking into account the language constraints in the CPP allows for a significant reduction of the number of language constraint violations in the CRP solutions. Although this study was conducted only for language constraints, the proposed method can be applied to many types of qualification constraints for cabin crews as well as pilots and copilots.


identifier: Pied, M. (2019). Schémas de valorisation économique de grands ensembles de chauffe-eau électriques coordonnés par un agrégateur au sein d'un réseau intelligent  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La vitamine D3 est un nutriment lipophile. Elle a été identifiée pour la première fois au 20ème siècle pour son implication dans la survenue du rachitisme. Elle est considérée comme une pro-hormone de la famille des stéroïdes. Ces dernières décennies, la vitamine D3 a attiré l'attention de nombreux chercheurs due à ses effets non seulement squelettiques (maintenance de la bonne minéralisation d'os) mais aussi extra-squelettiques comme la prévention de cancer, de diabète et même la réduction de taux de mortalité. L'utilisation de la nanotechnologie dans le domaine pharmaceutique a suscité un intérêt considérable ces dernières années, notamment l'utilisation de nanovecteurs pour la délivrance d'agents thérapeutiques avec une meilleure biodisponibilité en diminuant leurs effets secondaires. Parmi ces nanovecteurs, on trouve les nanoémulsions sous forme des nanocapsules lipidiques (LNCs). L'axe de recherche de ce mémoire est l'utilisation des nanocapsules lipidiques comme plateforme pour la délivrance de la vitamine D3. Un des objectifs est de développer des nanocapsules lipidiques avec une quantité optimale de la vitamine D3 dans 3 triglycérides à chaîne moyenne (TMC) (Labrafac, Tricaprylin et LC-810L). Une étude de stabilité physique a été faite sur des LNCs chargées en vitamine D3 et vides (Placebo) à l'état liquide et après lyophilisation. Par ailleurs, une étude de la cinétique de libération de la vitamine D3 in vitro a été aussi réalisée. A la fin, les résultats ont montré qu'on arrive à solubiliser jusqu'à 10 % p/p de la vitamine D3 dans les trois TCM. En revanche, on a eu des nanoémulsions (chargées en vitamine D3 ainsi que vides) stables qu'avec Labrafac et Tricaprylin durant plus de 6 mois ainsi qu'une stabilité de LNCs lyophilisées durant plus de deux mois. Mots clés : nanoémulsion, nanocapsules lipidiques, méthode d'inversion de phase et vitamine D3.  ABSTRACT: Vitamin D3 is a lipophilic nutrient. It was first identified in the 20th century for its involvement in the onset of rickets. It is considered as a pro-hormone of the steroid family. In recent decades, vitamin D3 has attracted the attention of many researchers due to its effects not only skeletal (maintenance of good bone mineralization) but also extra skeletal as the prevention of cancer and diabetes or even the reduction of mortality rates. The use of nanotechnology in the pharmaceutical field has attracted considerable interest in recent years, including the use of nanovectors for the delivery of therapeutic agents to improve their bioavailability by decreasing their side effects. Among these nanovectors, we find the lipid nanocapsules (in the form of nanoemulsions). The research focus of this paper is the use of lipid nanocapsules as a platform for vitamin D3 delivery. One of the objectives is to develop lipid nanocapsules with an optimal amount of vitamin D3 in 3 oils (Labrafac, Tricaprylin and LC-810L). A physical stability study was conducted on LNCs loaded with vitamin D3 and empty ones (Placebo) in the liquid state and after freeze-drying. In addition, a kinetic study of vitamin D3 release in vitro was also carried out. In the end, the results showed that up to 10% w/w of vitamin D3 was soluble in the 3 oils. On the other hand, we had stable nanoemulsions (loaded with vitamin D3 and empty ones) as with Labrafac and Tricaprylin more than 6 months. The lyophilized LNCs have also showed à good stability after 2 months of the resuspension in water. Key words: nanoemulsion, lipid nanocapsules, phase inversion temperature and vitamin D3.


identifier: Khani, Z. (2019). Ultrasonic Tuning of Semiconductors' Band Gap  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les eaux usées sont toutes les eaux provenant des activités domestiques, industrielles ou agricoles. Elles contiennent une grande variété de polluants physiques, chimiques et biologiques. La concentration de polluants varie en fonction de la source des eaux usées. En effet, l'activité humaine et les rejets industriels contribuent énormément au rejet des polluants dans l'eau, ce qui modifie le cycle aquatique, affectant ainsi la faune, la flore et la santé humaine. Les chercheurs visent à mettre au point des technologies de traitement des eaux usées plus efficaces pour dégrader des polluants complexes. Cependant, l'efficacité du traitement des eaux usées dépend de leur nature et leur composition. Les processus générant des radicaux hydroxyles (Advanced Oxydation Process, AOP) sont les technologies les plus puissantes pour l'oxydation et la minéralisation des polluants organiques en dioxyde de carbone et en eau. Les AOP incluent la cavitation, l'oxydation photocatalytique et le procédé de Fenton.  ABSTRACT: Wastewaters are any used water from whichever combination of domestic, industrial or agricultural activities come. Wastewaters contain a wide variety of physical, chemical and biological pollutants. The concentration of pollutants varies along with the source of the wastewaters. Indeed, human activity and industrial discharges enormously contribute to the release of pollutants in water, which in turn alter the water cycle thus affecting wildlife and human health. Researchers aim at achieving more efficient wastewater treatment technologies to degrade complex pollutants. However, the efficiency of wastewater treatment depends on its nature and composition. Processes that generate hydroxyl radicals (Advanced Oxidation Processes, AOPs) are the most powerful technologies to oxidize and mineralize organic pollutants to carbon dioxide and water. AOPs include cavitation, photocatalytic oxidation, and Fenton process.


identifier: Ben Braiek, H. (2019). Towards Debugging and Testing Deep Learning Systems  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours des dernières années, l'apprentissage profond, en anglais Deep Learning (DL) a fait d'énormes progrès, en atteignant et dépassant même parfois le niveau de performance des humains pour différentes tâches, telles que la classification des images et la reconnaissance vocale. Grâce à ces progrès, nous constatons une large adoption du DL dans des applications critiques, telles que la conduite autonome de véhicules, la prévention et la détection du crime, et le traitement médical. Cependant, malgré leurs progrès spectaculaires, les systèmes de DL, tout comme les logiciels traditionnels, présentent souvent des comportements erronés en raison de l'existence de défauts cachés ou d'inefficacités. Ces comportements erronés peuvent être à l'origine d'accidents catastrophiques. Ainsi, l'assurance de la qualité des logiciels (SQA), y compris la fiabilité et la robustesse, pour les systèmes de DL devient une préoccupation majeure. Les tests traditionnels pour les modèles de DL consistent à mesurer leurs performances sur des données collectées manuellement ; ils dépendent donc fortement de la qualité des données de test qui, souvent, n'incluent pas de données d'entrée rares, comme en témoignent les récents accidents de voitures avec conduite autonome (exemple Tesla/Uber). Les techniques de test avancées sont très demandées pour améliorer la fiabilité des systèmes de DL. Néanmoins, les tests des systèmes de DL posent des défis importants, en raison de leur nature non-déterministe puisqu'ils suivent un paradigme axé sur les données (la tâche cible est apprise statistiquement) et leur manque d'oracle puisqu'ils sont conçus principalement pour fournir la réponse. Récemment, les chercheurs en génie logiciel ont commencé à adapter des concepts du domaine du test logiciel tels que la couverture des cas de tests et les pseudo-oracles, pour résoudre ces difficultés. Malgré les résultats prometteurs obtenus de cette rénovation des méthodes existantes de test logiciel, le domaine du test des systèmes de DL est encore immature et les méthodes proposées à ce jour ne sont pas très efficaces. Dans ce mémoire, nous examinons les solutions existantes proposées pour tester les systèmes de DL et proposons quelques nouvelles techniques. Nous réalisons cet objectif en suivant une approche systématique qui consiste à : (1) étudier les problèmes et les défis liés aux tests des logiciels de DL; (2) souligner les forces et les faiblesses des techniques de test logiciel adaptées aux systèmes de DL; (3) proposer de nouvelles solutions de test pour combler certaines lacunes identifiées dans la littérature, et potentiellement aider à améliorer l'assurance qualité des systèmes de DL.  ABSTRACT: Over the past few years, Deep Learning (DL) has made tremendous progress, achieving or surpassing human-level performance for different tasks such as image classification and speech recognition. Thanks to these advances, we are witnessing a wide adoption of DL in safetycritical applications such as autonomous driving cars, crime prevention and detection, and medical treatment. However, despite their spectacular progress, DL systems, just like traditional software systems, often exhibit erroneous corner-cases behaviors due to the existence of latent defects or inefficiencies, and which can lead to catastrophic accidents. Thus, software quality assurance (SQA), including reliability and robustness, for DL systems becomes a big concern. Traditional testing for DL models consists of measuring their performance on manually collected data ; so it heavily depends on the quality of the test data that often fails to include rare inputs, as evidenced by recent autonomous-driving car accidents (e.g., Tesla/Uber). Advanced testing techniques are in high demand to improve the trustworthiness of DL systems. Nevertheless, DL testing poses significant challenges stemming from the non-deterministic nature of DL systems (since they follow a data-driven paradigm ; the target task is learned statistically) and their lack of oracle (since they are designed principally to provide the answer). Recently, software researchers have started adapting concepts from the software testing domain such as test coverage and pseudo-oracles to tackle these difficulties. Despite some promising results obtained from adapting existing software testing methods, current software testing techniques for DL systems are still quite immature. In this thesis, we examine existing testing techniques for DL systems and propose some new techniques. We achieve this by following a systematic approach consisting of : (1) investigating DL software issues and testing challenges ; (2) outlining the strengths and weaknesses of the software-based testing techniques adapted for DL systems ; and (3) proposing novel testing solutions to fill some of the identified literature gaps, and potentially help improving the SQA of DL systems.


identifier: Henwood, S. (2019). Algorithme de l'alpiniste pour l'étude de cartes de contrôle en coordonnées parallèles  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire propose l'algorithme de l'alpiniste, une méthodologie visant à estimer l'état de santé d'un équipement ou d'un processus multivarié pour prévenir l'apparition d'anomalies. On applique cet algorithme sur une carte de contrôle en coordonnées parallèles, sur laquelle sont projetées les observations prises sur le processus. Une fois ces observations projetées,on construit une approximation de la densité de ces observations à partir de leur historique. L'algorithme de l'alpiniste échantillonne la densité des observations de façon à obtenir un histogramme bidimensionnel. L'algorithme ajuste également l'histogramme pour tirer parti d'informations fournies sur les observations (anomalies ou non). On récolte par la suite pour toute nouvelle observation le chemin emprunté sur ces histogrammes : on se sert des caractéristiques géométriques de ce chemin pour calculer une fonction d'énergie. La fonction d'énergie proposée est paramétrisable et on peut optimiser ces paramètres par un apprentissage supervisé. On peut alors utiliser l'énergie obtenue pour la classification et le diagnostic des anomalies. L'algorithme proposé est testé sur le jeu de données Tennessee Eastman Process, représentant un processus de production de l'industrie chimique. On réalise ensuite l'apprentissage supervisé des paramètres de la fonction d'énergie par une régression logistique. Sur ce jeu de données, l'algorithme de l'alpiniste obtient une aire sous la courbe sensibilité/spécificité de 94.1%. La précision de l'algorithme de l'alpiniste sous ce modèle de régression logistique pour un choix du seuil de décision équilibré est de 89.67%, avec une sensibilité de 90.54% et une spécificité de 83.87%. Ces résultats démontrent qu'il est possible d'utiliser l'algorithme de l'alpiniste pour la classification et le diagnostic des anomalies.  ABSTRACT: This dissertation introduces the alpinist's algorithm, a methodology to quickly estimate the health factor of an equipment or a multivariate process in order to prevent abnormalities. We apply this algorithm on a control chart in parallel coordinates on which are projected the process samples. Once the samples are projected, we then approximate the density of those samples based on the available data. The algorithm proceed to sample those densities in order to build a two dimensional histogram. The densities are adjusted based on the available samples's labels (abnormalities or not). For any new observation, we can then look at the path on the histogram : we make use of the geometrical features of that path to compute an energy function. This energy function is parametric and it can be optimised by a supervised learning algorithm. Eventually the energy can be used to classify and diagnose the abnormalities. The alpinist's algorithm is tested on the dataset Tennessee Eastman Process, which represent a production process in the chemical industry. We undergo a supervised learning of the energy function's parameters with a logistic regression. On that dataset, the alpinist's algorithm achieve an area under the curve  sensitivity/specificity of 94.1%. The accuracy of the alpinist's algorithm under that logistic regression model is of 89.67% for a balanced decision boundary, with a sensitivity of 90.54% and a specificity of 83.87%. Those results demonstrate the usability of the alpinist's algorithm for the purpose of classification and diagnosis of abnormalities.


identifier: Roland, T. (2019). Élaboration d'une structure intégrée d'indicateurs de performance pour le pronostic des activités de chantier  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie de la construction est soumise à de fortes contraintes et des facteurs variables externes omniprésents. Cependant, aussi particulière qu'elle puisse être, elle se doit d'être compétitive. Les performances d'un chantier de construction sont une priorité pour les entreprises. Pour cela, il lui faut en tout temps adapter ses manières de faire. Les entreprises de construction peinent à augmenter leur productivité comme le font la majorité des domaines manufacturiers. Ayant pris du retard par rapport à l'automatisation et la numérisation, ces deux éléments sont maintenant vus comme des clés de sa modernisation. On la retrouve en effet à la fin du classement concernant l'adoption de ces technologies, comparativement au secteur de l'agriculture ou de la pêche (Barbosa et al., 2017). Les nouvelles technologies issues de l'industrie 4.0 offrent notamment un fort potentiel pour moderniser cette industrie (Oesterreich & Teuteberg, 2016). Cette dernière vise à collecter et connecter les données en temps réel dans l'objectif d'aider la prise de décision. Cette maîtrise propose une méthode pour améliorer les processus de suivi et de gestion de la performance sur les chantiers de construction. La solution présentée dans ce mémoire est une structure intégrée d'indicateurs de performance permettant l'élaboration d'un pronostic de réussite d'une activité d'exécution. De façon spécifique, cette structure intègre les concepts de l'industrie 4.0. Cette solution s'inscrit donc parfaitement dans le besoin grandissant d'amélioration de la performance de cette industrie à la productivité stagnante. Pour atteindre cet objectif, nous avons utilisé l'approche DRM (Design Research Methodology) proposée par Blessing et Chakrabarti (2009). Cette méthode est connue pour la mise en place de modèles empiriques ancrés dans la pratique. Cette étude s'appuie à la fois sur les processus d'un partenaire industriel et sur la littérature. L'objectif étant l'amélioration du suivi et de la gestion de performance, une revue de littérature sur ces trois notions sera effectuée. Les observations chez l'entreprise partenaire et la littérature nous permettront ensuite de définir les critères de performances sur lesquels agir. Puis, dans cette même démarche soutenue par l'approche DRM, nous utiliserons à la fois la littérature et des cas réels de l'entreprise partenaire pour établir le modèle de données et les technologies nécessaires à l'acquisition de ces données. Enfin, nous étudierons l'applicabilité des résultats de cette étude dans le cas de l'entreprise partenaire. À notre connaissance, la littérature scientifique n'aborde pas de façon intégrée l'identification des indicateurs de performance et les technologies requises pour les capter. Ces indicateurs n'étant pas identifiés, ils ne sont donc pas générés et mis à jour, faute de capacité à le faire. Pour répondre à ce manquement, la présente recherche met en place une structure intégrée d'indicateurs de performance pour le pronostic de succès des activités d'exécution. La structure repose sur quatre notions : les indicateurs, les données nécessaires à leur création, les outils pour acquérir ces données et enfin, les connexions entre tous ces indicateurs pour former un pronostic de succès sur l'activité observée. Le pronostic de succès se base sur les concepts de l'industrie 4.0. Le pronostic apportera aux utilisateurs une vision en temps réel de la probabilité de succès non pas du projet complet, mais de la tâche ou lot de tâches observé. Ce pronostic est un outil cherchant à établir une probabilité d'occurrence d'un résultat. Il permet donc une visibilité à court terme et moyen terme de la santé des activités. Toutes ces données étant mises à jour en temps réel.  ABSTRACT: The construction industry is subject to strong constraints and omnipresent external variable factors. However, as particular as it may be, it must be competitive. The performance of a construction site is a priority for companies. Hence, it must at all times adapt its ways of doing things. Construction companies are struggling to increase their productivity as most manufacturing sectors do. Having fallen behind automation and digitization, these two elements are now seen as one of the keys to its modernization. It can be found at the end of the ranking for the adoption of these technologies, comparable to the agriculture or fishing sector (Barbosa et al., 2017). In particular, new technologies from industry 4.0 offer great potential for modernizing this industry (Oesterreich & Teuteberg, 2016). The latter aims to collect and connect data in real time in order to support decision-making This mastery proposes a method to improve performance monitoring and management processes on construction sites. The solution presented in this paper is an integrated structure of performance indicators allowing the development of a prognosis for the success of an execution activity. Specifically, this structure integrates the concepts of industry 4.0. This solution is therefore perfectly in line with the growing need to improve the performance of this aging industry. To achieve this objective, we used the DRM (Design Research Methodology) approach proposed by Blessing and Chakrabarti (2009). This method is known for the implementation of empirical models that are rooted in practice. This study is therefore based on both the processes of an industrial partner and the literature. As the objective is to improve performance monitoring and management, a literature review on these three concepts will be carried out. Observations at the partner company and in the literature will then enable us to define the performance criteria on which to act. Then, in the same approach supported by the DRM approach, we will use both the literature and real cases of the partner company to establish the given model and the technologies needed to acquire this data. Finally, we will study the applicability of the results of this study to the partner company. To our knowledge, the scientific literature does not address in an integrated way the identification of performance indicators and the technologies required to capture them. As these indicators are not identified, they are not generated and updated due to a lack of capacity to do so. To address this shortcoming, this research sets up an integrated structure of performance indicators for the prognosis of success of enforcement activities. The structure is based on four concepts: indicators, the data necessary for their creation, the tools to acquire this data and finally, the connections between all these indicators to form a prognosis of success on the observed activity. The prognosis of success called "success indicators" is based on industry concepts 4.0. The prognosis will provide users with a real-time view of the probability of success not of the complete project, but of the task or batch of tasks observed. This prognosis is a tool that seeks to establish a probability of occurrence of an outcome. It therefore provides short and medium-term visibility of the health of the activities. All this data is updated in real time.