identifier: Mazar, A. (2017). Valorisation du pré-hydrolysat provenant des usines de pâte dissoute kraft  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans la première partie de ce projet, la faisabilité de concentrer le pré-hydrolysat à l'aide de l'ultrafiltration et de la nano-filtration en utilisant une solution de pré-hydrolysat qui a été générée dans une usine pilote de FPInnovations a été étudiée. L'effet de la porosité de la membrane (100, 10 et 1 kDa) et des facteurs de concentration (5 et 10) sur le taux de solide, le temps de filtration, le pourcentage de rétention des sucres et de la lignine, le taux d'extraction de la lignine, le poids moléculaire et la distribution du poids moléculaire de la lignine a été aussi étudié. Les résultats ont démontré que la membrane la plus serrée (1 kDa) permet d'obtenir le taux de récupération le plus élevé et la meilleure qualité de lignine. La deuxième phase de cette étude a été consacrée à étudier l'effet de l'acidité, la durée de coagulation et la température de filtration sur la quantité et la qualité de la lignine obtenue. Pour concentrer le pré-hydrolysat, la nanofiltration a été utilisée sous les conditions suivantes: la membrane ayant une porosité de 1 kDa, un facteur de concentration de 5, une température de 60 °C et une pression de 30 bars. Pour extraire la lignine du pré-hydrolysat, les meilleures conditions obtenues sont les suivantes: (a) une température de filtration de 40 °C, (b) une concentration en acide sulfurique de 8.5 g/L, et (c) un temps de coagulation de 180 min. En utilisant ces conditions, la lignine extraite présente un faible pourcentage d'impuretés (8.3%), un faible poids moléculaire (1270 Da), une homogénéité très élevée (Mw/Mn=1.22), un taux de filtration élevé (2608 L/(m2 .h)) et un bon rendement de récupération de la lignine (52% de la lignine initiale). Dans la troisième partie du travail, la conversion chimique du xylose et des hémicelluloses en furfural a été évaluée. Pour répondre à la première question de l'hypothèse qui consiste à étudier l'effet de la séparation instantanée du furfural sur son rendement de production et sa pureté, un réacteur Parr permettant d'extraire le furfural produit dans la phase aqueuse aussi vite qu'il est formé et de l'acheminer vers la phase vapeur a été utilisé. Cette dernière est rapidement refroidie à l'aide d'un système de condensation qui a été ajouté au réacteur de production du furfural. Dans la deuxième partie de l'hypothèse qui consiste à étudier l'effet du temps de l'addition de l'acide sur le rendement de la production du furfural, un système d'injection qui permet d'ajouter l'acide au milieu réactionnel lorsque la température désirée est atteinte a été ajouté au dispositif expérimental, ce qui minimise la durée d'exposition du furfural aux réactions secondaire durant le chauffage du milieu réactionnel.  Des solutions synthétiques de xylose et des solutions de pré-hydrolysat produites par extraction à l'eau ont été utilisées dans cette phase du projet. L'effet de la température de conversion, la concentration en acide sulfurique, la concentration des sucres, ainsi que l'utilisation de certains sels et l'extraction de la lignine sur le rendement de la production du furfural a été evalué. Dans les conditions optimales (température: 240˚C, acide sulfurique: 3.6 g/L), Le rendement obtenu est de 64% et 77.6% pour les solutions synthétiques de xylose et les solutions de pré-hydrolysat respectivement, comparativement à un rendement de seulement 50% obtenu au niveau industriel. Sous les mêmes conditions une génération d'une quantité considérable d'acide acétique (7.2 g/L de pré-hydrolysat) a été obtenue. Les résultats montrent aussi que la concentration des sucres et la présence de la lignine ont un effet négatif sur le rendement de la production du furfural. Dans la quatrième partie, une comparaison de la production de furfural à partir de deux pré-hydrolysats: 1) un pré-hydrolysat produit par extraction à l'eau (PHLW) et 2) un pré-hydrolysat produit par extraction à l'aide d'une solution de dioxyde de souffre (PHLS) (0.5%) a été réalisée. Les résultats montrent que l'utilisation du PHLS permet d'obtenir le rendement le plus élevé. Un rendement de 83% a été obtenu avec le PHLS comparativement au 77.6% pour le PHLW et au 50% obtenu au niveau industriel.  ABSTRACT: In the first part of the work, the feasibility of concentrating the pre-hydrolysate using ultrafiltration and nanofiltration membranes was investigated. Concentration of the pre-hydrolysate is required to recover lignin. A pre-hydrolysate solution generated at FPInnovations was used in this study. The effect of the porosity of the membrane (100, 10 and 1 kDa) and the concentration factor (5 and 10) on the level of solids, the filtration time, the retention of sugars and lignin, the lignin extraction rate, the molecular weight and the molecular weight distribution of the lignin were investigated. The results revealed that the tighter membrane (1 kDa) was the appropriate one and gave the highest retention and recovery of lignin and sugars. The second phase of this study was devoted to investigate the effect of the acidity, the coagulation time, the filtration temperature on the quantity and quality of lignin obtained. A pre-hydrolysate similar to that used in the previous phase was used in this evaluation. A membrane having the porosity of 1 kDa, a concentration factor of 5, a temperature of 60 °C and a pressure of 30 bars were selected in the nanofiltration step to concentrate the pre-hydrolysate. The best conditions to extract the lignin from the pre-hydrolysate were determined to be: (a) a filtration temperature of 40 °C, (b) a sulfuric acid concentration of 8.5 g/L, and ( c) a coagulation time of 180 min. Using these conditions, the extracted lignin has a low percentage of impurities (8.3%), a low molecular weight (1270 Da), a very high homogeneity (Mw/Mn = 1.22), a high filtration rate (2608 L/(m2 .h)) and a good lignin recovery factor (52% of the initial lignin). In the third part of the work, the chemical conversion of xylose and hemicellulose into furfural was evaluated. To answer the first question of the hypothesis which consists to study the effect of instantaneous separation of furfural on its production yield and its purity, a reactor which has the ability to extract furfural produced in the aqueous phase as soon as it is formed and rejected it in the vapor phase was used. The vapor phase is then rapidly cooled using a condensation system that was added to the reactor of furfural production. In the second part of the hypothesis which consists to study the effect of addition time of acid on the furfural yield production, an acid injection system which gives the ability to add the acid to the reaction mixture when the desired temperature is achieved is connected to the experimental device, minimizing thus the time of exposure of furfural to secondary reactions during the heating of reaction medium. Synthetic solutions of xylose and pre-hydrolysate solutions produced by extraction with water were used in this part of the project. The effect of the conversion temperature, the sulfuric acid concentration, the concentration of sugars, as well as the use of salts and lignin extraction effect on furfural production was evaluated. Under optimal conditions (temperature: 240 ˚C, sulfuric acid: 3.6 g/L), the yield obtained is 64% and 77.6% for synthetic solutions of xylose and pre-hydrolysate solutions respectively, compared to a yield of only 50% obtained industrially. Under the same conditions, the generation of a considerable amount of acetic acid (7.2 g/L pre-hydrolysate) was obtained. The results also show that the concentration of sugars and the presence of the lignin have a negative effect on the fufural yield. In the fourth part, a comparison between the production of furfural from two pre-hydrolysates: 1) a pre-hydrolysate generated using hot water (PHLW) and 2) a pre-hydrolysate generated using a solution of sulfur dioxide (PHLS) (0.5%) was studied. The results show that the use of PHLS leads to the highest yield. A yield of 83% was obtained with the PHLS compared to 77.6% for the PHLW and 50% obtained industrially.


identifier: Delattre, S. (2017). Application de la méthode inverse à l'interprétation de mesures de contraintes in situ avec la technique du doorstopper modifié  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire traite de la détermination des contraintes in situ dans les massifs rocheux à partir de mesures faites avec le doorstopper modifié interprétées avec la méthode inverse. Il fait suite aux travaux de Ouellet (2012) et de Vézina (2014) qui ont respectivement généralisé les méthodes d'interprétation des mesures au doorstopper modifié pour les roches transversalement isotropes et étudié le potentiel de la méthode inverse comme nouvelle approche d'interprétation pour cette technique de mesure qui n'avait jusqu'ici été validée qu'en laboratoire sur des matériaux isotropes. L'objectif du présent travail consiste à appliquer la méthode inverse avec des résultats de mesures réalisées sur deux sites miniers. En premier lieu, à l'aide de données de terrain, la comparaison entre les tenseurs trouvés avec les méthodes d'interprétation éprouvées et la méthode inverse est faite avec plusieurs mesures provenant de cellule du doorstopper modifié. L'interprétation de ces mesures a mis en lumière la grande influence que peut avoir la mesure de la progression de la saignée sur les contraintes estimées avec la méthode inverse. En deuxième lieu, l'influence que peuvent avoir plusieurs éléments qui ne sont pas considérés dans la modélisation requise par la méthode inverse est analysée. Parmi ces éléments, notons entre autres la température, l'influence de la pression d'eau et du taillant ainsi que la présence d'un second coefficient de Poisson dans la roche. Enfin, l'effet d'une variation de déformabilité le long de l'axe de la carotte est étudié. Une méthodologie permettant de corriger l'effet de cette hétérogénéité est proposée  ABSTRACT: The subject of this thesis is the determination of rock mass in situ stresses from measurement performed with the modified doorstopper cell when interpreted using the inverse method. It follows the work of Ouellet (2012) and Vézina (2014) who have improved the stress calculation methods for transversely isotropic rock and proposed using the inverse method as a new way of interpreting field data obtained from the modified doorstopper technique. Up until now, these new approaches had only been validated with numerical and physical models. This work aims to apply these new interpretation methods with actual field data. First, the comparison between the stress tensors found with one of the more commonly used methods and the inverse method is made using field measurements from the modified doorstopper technique. The data obtained show the importance of correctly measuring the drill bit advance while stress relief is in progress when interpreting the data using the inverse method. Secondly, the influence various elements can have on the estimated stresses which are not considered in the numerical models used with the inverse method such as temperature, water pressure, drill bit pressure is analyzed. Subsequently, the influence of deformability heterogeneity along the borehole axis is studied and a methodology allowing to account for its effect on the estimated stresses is proposed.


identifier: Demers, É. (2017). Le contrôle des inflexions et des extremums de courbure portés par les courbes et les surfaces B-Splines  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le contrôle des propriétés différentielles des courbes et des surfaces B-splines est un enjeu important, en particulier pour le domaine de la conception géométrique assistée par ordinateur. Un enjeu qui sollicite autant les méthodes analytiques que numériques dans le but de permettre au concepteur de manipuler les formes avec une aisance toujours croissante. Ce texte explore les possibilités offertes lorsqu'on combine des méthodes numériques de pointe aux travaux de grands géomètres du 19e siècle. Ainsi, de nouveaux algorithmes pour l'optimisation sous contraintes des B-splines ont été développés. Ensuite, ces algorithmes ont été combinés à la théorie des groupes de transformations comme elle a été développée à l'origine par des pionniers comme Sophus Lie, Gaston Darboux et Felix Klein. Ceci permet d'ouvrir des portes vers de nouveaux horizons. Il devient possible de générer de larges espaces de formes sur lesquels on contrôle les propriétés différentielles. Il devient également possible d'éliminer des oscillations de façon sélective ou de manipuler les formes sans introduire d'oscillations indésirables. Avant de progresser vers cet objectif ambitieux, il faut d'abord être en mesure de bien comprendre et de bien visualiser ces propriétés différentielles que l'on souhaite contrôler. L'histoire de la géométrie différentielle classique des courbes et des surfaces est très riche. Cette histoire est revisitée avec une perspective nouvelle. Soit la perspective du contrôle des inflexions et des extremums de courbure. Ceci permet de faire émerger des liens importants entre la géométrie différentielle, la théorie des singularités, les groupes de transformations et l'optique géométrique. Ensuite viennent les algorithmes d'optimisation des B-splines sous contraintes. Les variables indépendantes sont les positions des points de contrôle de la B-spline alors que les contraintes portent sur la position des points de contrôle d'une fonction qui représente les propriétés différentielles de la B-spline. Les algorithmes sont d'abord développés pour les fonctions B-splines à une et deux variables. Une fois ces algorithmes développés, plusieurs possibilités nouvelles s'offrent à nous. Il devient possible, par exemple d'obtenir la courbe qui s'approche le plus d'une autre courbe quelconque sous la contrainte de posséder certaines propriétés différentielles. De cette manière, il devient possible de travailler avec un plus grand nombre de points de contrôle et ainsi dans un espace de forme plus riche sans avoir à se soucier  d'oscillations arbitraires. Ceci permet en particulier d'éliminer de façon sélective des oscillations indésirables sur des profils aérodynamiques.  ABSTRACT: Control of B-spline differential properties is an important stake, especially for the field of computer-aided geometric design. An issue that calls for analytical and numerical skills to allow the designer to manipulate shapes in an increasingly efficient way. This text explores possibilities offered by combining new numerical methods with works of 19th century great geometers. Thus, new algorithms for constrained optimization of B-splines are selected and then grafted to the group theory of transformations as it was originally developed by pioneers such as Sophus Lie, Gaston Darboux and Felix Klein. This opens doors to new horizons. It becomes possible to generate large spaces of shapes with a control over their differential properties. This also gives us a selective eraser of curvature extrema and the option to manipulate shapes without introducing undesirables oscillations. Before progressing towards this ambitious goal, one must first be able to understand and visualize these differential properties that one wishes to control. This rich history of the classical differential geometry is revisited with a new perspective. This new perspective is the one of the control of inflections and extrema of curvature. A perspective that allows to establish important links between differential geometry, the theory of singularities, groups of transformations and geometric optics. Next comes the B-splines optimization algorithms with constraints. The independent variables are the B-spline position of the control points, while the constraints are applied to the control points of a function which represents the differential properties of the B-spline. The algorithms are first developed for B-spline functions. Once these algorithms have been developed, several new possibilities open up to us. It becomes possible, for example, to find the closest curve to another one under specified differential properties. This particular algorithm is introduced as an extension to the standard B-spline least squares method to approximate a series of points. The extension consists in adding constraints to produce curve segments with monotonously increasing or decreasing curvature. The interior point method is used to solve the constrained optimization problem. The method requires gradients and those are provided by symbolic B-spline operators. Therefore, the algorithm relies on the arithmetic, differential and variation diminishing properties of the Bsplines to apply the constraints. Thereby, it becomes possible to work with a greater number of control points and thus in a richer shape space without having to manage undesired oscillations.


identifier: Sojoudiasli, H. (2017). Development of Biocomposites Based on Cellulosic Reinforcements  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les renforts cellulosiques sont une ressource renouvelable, biodégradable et biocompatible et leur faible densité ainsi que leur abondance élevée ont favorisé leur insertion dans les matrices polymères. Cependant, ces charges hydrophiles sont généralement incompatibles avec les matrices thermoplastiques communes non polaires telles que le polypropylène (PP) ou le polylactide (PLA). Le but de cette thèse est de développer des biocomposites possédant des propriétés mécaniques améliorées, à base de renforts cellulosiques. Dans la première phase de cette étude, les propriétés rhéologiques, mécaniques et morphologiques des composites polypropylène/fibres de lin ont été étudiées. Les polypropylènes greffés anhydride maléique (PPMA) ou acide acrylique (PPAA) ont été utilisés comme compatibilisants. Il a été montré que le malaxage à l'état fondu de ces composites entraîne une diminution de la longueur moyenne des fibres d'environ 70%. Par ailleurs, nous avons observé que l'ajout de compatibilisants, améliore l'interaction fibre/polymère et conduit à une plastification de la matrice. L'équilibre entre ces effets concurrents détermine le comportement rhéologique du composite. Le PPMA et le PPAA se sont avérés efficaces, mais leur efficacité dépend de leur indice de fluidité à chaud (MFI) et de leur teneur en groupements greffés. Les tests en traction ont montré que le module d'Young du composite contenant 30% en poids de fibres de lin est amélioré de 200% et que sa résistance à la rupture augmente de 60%, par rapport au PP. Le PPMA, ayant la teneur la plus élevée en groupements anhydrides maléiques, s'est avéré le plus efficace pour améliorer la compatibilité interfaciale entre la matrice PP et les fibres de lin, toutefois l'effet plastifiant de cet agent de couplage est significatif. Dans la seconde partie de ce travail, les propriétés rhéologiques, mécaniques, morphologiques et thermiques des composites PP/nanocristaux de cellulose (CNC), préparés par malaxage à l'état fondu ont été étudiées. Le PPMA a été utilisé comme compatibilisant pour ce système. Les influences de deux températures d'élaboration et de deux PPs de poids moléculaires différents ont été étudiées. Il a été montré qu'en présence de CNC la dégradation du PP à une température d'élaboration élevée avait un effet significatif sur le comportement rhéologique de ces systèmes. Lors des tests en traction, le module d'Young des composites contenant 2% en poids de CNC est amélioré d'environ 30% et leur résistance à la rupture est augmentée jusqu'à 16%, par rapport aux matrices seules. En revanche, la contrainte à la rupture des composites diminue de 17% à 75% par rapport à la matrice, en fonction des conditions d'élaboration et du poids moléculaire du PP. Dans le cas du PP de faible poids moléculaire, les composites élaborés à une température plus élevée ont montré de meilleures propriétés mécaniques. D'autre part, les meilleures propriétés mécaniques sont obtenues pour les composites à base de PP possédant un poids moléculaire élevé, élaborés à une faible température. L'extrusion bi-vis des composites à base de PP de faible poids moléculaire s'est avérée plus efficace que l'utilisation d'un mélangeur interne, pour l'élaboration de ces composites. Le module d'Young des composites PP/CNC peut être décrit par le modèle proposé par Nielsen, basé sur l'équation d'Halpin-Tsai. Enfin, il a été observé que les composites PP/CNC présentent une bonne ductilité, avec une augmentation de la contrainte à la rupture, par rapport au PP, comprise entre 43% et 73% PP, alors que les composites PP/fibres de lin sont fragiles, avec une contrainte à la rupture inférieure de 0,06 à celle de la matrice. Dans la dernière partie de cette thèse, l'état de dispersion des CNC et CNC modifiés (mCNC) a été étudié dans du diméthyl sulfoxyde (DMSO). Les mCNC ont été modifiés par greffage d'un chlorure d'acide organique à la surface des nanoparticules. L'efficacité de cette modification de surface est confirmée par spectroscopie de photoélectrons aux rayons X (XPS). A température ambiante, les propriétés rhéologiques des suspensions de CNC restent quasiment inchangées au cours du temps, alors qu'à une température de 70°C  un gel se forme après un jour, même à une très faible concentration de CNC (1% en poids). Pour les suspensions contenant 3% en poids de CNC, la viscosité complexe mesurée à 70°C augmente de près de 4 décades après une journée. Pour les mCNCs dans du DMSO, un gel faible est formé à partir du premier jour et la température n'a pas affecté la gélification et l'évolution de la viscosité complexe est faible, après un jour. Les propriétés rhéologiques des gels de mCNC à 70°C sont largement plus faibles que celles des gels de CNC. Enfin, l'ajout de 10% en poids de polylactide (PLA) au milieu ne prévient pas la formation de gels pour les suspensions CNC. De plus, la viscosité et le module de stockage réduits des suspensions de CNC et de mCNC dans un milieu PLA/DMSO sont considérablement inférieurs à ceux des échantillons sans PLA. Ce résultat a été attribué aux mauvaises interactions entre les nanoparticules et les chaînes de PLA et à la diminution du mouvement brownien des nanoparticules, due à l'augmentation de la viscosité du milieu de la suspension. Au meilleur de nos connaissances, c'est la première fois que la gélification des suspensions de CNC et de mCNC, avec une très faible teneur en solvant polaire non aqueux et non-toxique comme le DMSO, a été étudiée.  ABSTRACT: Interesting properties of cellulosic reinforcements such as their low density, renewability, biodegradability, absence of health hazard and high abundance have favored their use in polymer composites. The key issue for polymer composites based on cellulosic reinforcements is the incompatibility between these hydrophilic fillers and non-polar common matrices such as polypropylene (PP) or polylactide (PLA). The main objective of this dissertation is to develop polymer biocomposites with enhanced mechanical properties based on cellulosic reinforcements.  In the first phase the rheological, mechanical and morphological properties of flax fiber polypropylene composites were investigated. PP grafted maleic anhydride (PPMA) and PP grafted acrylic acid (PPAA) were utilized as compatibilizers. Compounding resulted in a decrease of the mean fiber length by about 70%. It has been observed that both compatibilizers, besides enhancing fiber/polymer interaction, can lead to plasticization and the balance between these competing effects determined the overall rheological behavior of the composite. PPMA and PPAA were effective compatibilizers for PP/flax fiber composites, but their efficiency depended on their melt flow index (MFI) and grafted group content.  The tensile modulus of the composite containing 30 wt% flax fibers was improved by 200% and the tensile strength improved by 60% in comparison with the neat PP. The PPMA with the highest content of MA was found to be the most efficient in improving the interface between the PP matrix and the flax fibers, however the plasticizing effect of this coupling agent was significant.  In the second phase the rheological, mechanical, morphological and thermal properties of PP/cellulose nanocrystal (CNC) composites prepared in the molten state were investigated. PPMA was used as a compatibilizer for this system. The effect of two different processing temperatures with two different molecular weight PPs has been investigated. Degradation of the PP in the presence of CNCs at high processing temperature was shown to have a significant effect on the rheological behavior. The tensile modulus of composites containing 2 wt% CNCs was improved by about 30% and the tensile strength was increased up to 16%, in comparison with the neat matrices. The tensile strain at break of the composites decreased by 17% up to 75% with respect to the matrix, depending on the processing conditions and PP grade. For low molecular weight PP the composites processed at higher temperature showed better mechanical properties. On the other hand, better mechanical properties were obtained for the high molecular weight PP-based composites processed at lower processing temperature. Preparing the low molecular weight PP composites via twin-screw extrusion was shown to be more efficient than using an internal batch mixer.  The tensile modulus of the PP/CNC composites could be fairly well described by a model proposed by Nielsen based on the Halpin-Tsai equation.  Finally, it was observed that the PP/CNC composites exhibited a good ductility, with their strain at break varying between 43 and 73% of the PP value in comparison to the PP/ flax composites, which were brittle and their strain at break was less than 0.06 of that of the matrix. In the last phase, the potential use of dimethyl sulfoxide (DMSO) as a dispersing medium for CNCs and modified CNCs (mCNC) was investigated. Cellulose nanocrystals have been modified via grafting an organic acid chloride on the surface of the nanoparticles. The efficiency of surface modification has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The rheological properties of CNC suspensions did not change significantly with time at room temperature, but the CNC suspensions at 70 °C underwent gel formation, even at a very low concentration (1 wt%) after one day. For suspensions containing 3 wt% CNCs, the complex viscosity at 70 °C increased by almost 4 decades after one day. For the mCNCs in DMSO a weak gel was formed from the first day and temperature did not affect the gelation and changes in the complex viscosity after one day were marginal.  The rheological properties of the mCNC gels at 70 °C were found to be much lower than those of the CNC gels. Finally, the effect of adding 10 wt% of polylactide (PLA) to the solvent on the rheological properties of CNC and mCNC suspensions was investigated. PLA did not prevent gel formation for the CNC suspensions. However, the reduced viscosity and storage modulus of the CNC and mCNC suspensions in PLA/ DMSO were considerably lower than those of samples without PLA. This has been attributed to poor interactions between the nanoparticles and the PLA chains and the decreased influence of the Brownian motion due the increased viscosity of the suspending medium. To the best of our knowledge this is the first time that the gelation of CNC and mCNC suspensions at very low content in a polar non-aqueous, safe solvent like DMSO has been investigated.


identifier: Pellerin, N. (2017). Simulation d'écoulements turbulents sur profils d'ailes au moyen de la méthode de Boltzmann sur réseau  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La méthode de Boltzmann sur réseau n'a cessé de gagner en popularité au cours des vingt-cinq dernières années en tant qu'alternative aux méthodes existantes de dynamique numérique des fluides. De nombreux travaux de recherches sont publiés à chaque année et assurent un développement continu de la méthode. L'éventail de types d'écoulements de fluides qu'elle permet de simuler s'est aussi étendu et n'est pas restreint aux écoulements laminaires à une seule phase. C'est dans cette optique que les travaux de cette thèse s'inscrivent, car la méthode est appliquée au cas spécifique des écoulements turbulents sur profils d'ailes. Les travaux présentés contribuent donc à étendre et valider la méthode pour une application d'intérêt en ingénierie. L'objectif principal de cette thèse est de développer un programme de simulation d'écoulements turbulents au moyen de la méthode de Boltzmann sur réseau, offrant la particularité d'utiliser un réseau pouvant assurer un raffinement local. Afin de remplir cet objectif, cette recherche est divisée en trois parties. La première consiste à développer et valider une nouvelle méthode de conditions aux frontières courbes plus versatile que celles disponibles dans la littérature. Dans la deuxième partie, un programme de simulations d'écoulements turbulents est développé afin de combler certaines lacunes identifiées dans la littérature. Ce programme combine une configuration de réseau de type multi-domaines, l'opérateur de collision en cascade et la résolution de l'équation différentielle du modèle de turbulence Spalart-Allmaras. Cette approche combinée n'a pas été proposée antérieurement dans la littérature. Le nouveau modèle de conditions aux frontières est aussi inclus dans le programme. La troisième partie de la recherche consiste à développer un programme basé sur un réseau de type non-structuré, présentant l'avantage d'offrir la possibilité d'utiliser un raffinement directionnel. Le programme inclut aussi le modèle de turbulence Spalart-Allmaras, et fournit ainsi une approche globale n'ayant encore une fois pas de précédent dans la littérature touchant la méthode de Boltzmann sur réseau. Trois articles scientifiques, fournis en annexe, ont été rédigés à partir des travaux exécutés pour chaque partie de la recherche. Les résultats qui y sont présentés indiquent que la méthode de conditions aux frontières est versatile et applicable particulièrement aux écoulements à hauts nombres de Reynolds. Ces résultats montrent aussi que les programmes de simulation d'écoulements turbulents produisent des caractéristiques aérodynamiques concordant avec des valeurs de référence et que le raffinement de réseau en constitue un facteur essentiel.  ABSTRACT: Over the last twenty-five years, the lattice Boltzmann method's popularity as an alternative to existing computational fluid dynamics methods hasn't stop growing. Abundant research is published every year and ensure the continued development of the method. The spectrum of fluid flows that it allows to simulate has also increased and is not restricted to single phase laminar flows. In fact, the research work of this thesis consists of applying the method to turbulent flows around airfoils. Therefore, the works presented herein contribute to the broadening and validation of the method for a specific and important engineering application. The main objective of this thesis is to develop a computer program for simulating turbulent airfoil flows that is based on the lattice Boltzmann method and incorporates the possibility of using local lattice refinement. In order to achieve this objective, the research is divided in three parts. The first one consists of the development and validation of a new curved boundary condition method that is more versatile than those available in the literature. In the second part, a computer program for simulating turbulent flows is developed with the aim of filling gaps identified in the literature. This program combines a multi-domain lattice configuration, the cascaded collision operator, and a solving methodology for the differential equation from the Spalart-Allmaras turbulence model. This combined approach has not been proposed before in the literature. The new boundary condition method is also included in the program. The third part of the research consists of the development of a computer program based on an unstructured lattice, which provides the advantage of using directional refinement. The program also includes the Spalart-Allmaras turbulence model. Overall it provides an approach that has not been proposed either in the lattice Boltzmann literature. Three scientific articles were written based on the work executed for each part of the research. They are available in the Appendix. The results presented in these articles show that the boundary condition method is versatile and particularly applicable to high Reynolds number flows, that the computer programs for simulating turbulent airfoil flows produce aerodynamic characteristics that are in agreement with reference data, and that lattice refinement constitutes a key element to solution accuracy.


identifier: Faucher, L.-A. (2017). Conception et performance des cadres à contreventement excentrique à lien modulaire  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La popularité des contreventements excentriques à augmenter suivant les séismes de 2010 et 2011 à Christchurch en Nouvelle-Zélande. En effet, ce type de contreventement s'est avéré très performant lorsque soumis à de vrais séismes. Après le tremblement de terre, la portion ductile de la poutre, appelée lien, a été remplacée et les structures ont retrouvé leur rigidité latérale. Ces liens ont dû être coupés et d'autres liens ont dû être soudés en place. Un nouveau système de cadre excentrique consiste à fixer le lien à l'aide de boulon lors de la construction afin de faciliter son remplacement après un séisme. La norme d'acier de 2014 (CSA S16-14) introduit ce nouveau système, appelé contreventement excentrique modulaire (EBFM). Les nouvelles normes sont principalement basées sur des recherches effectuées au Canada entre les années 2006 et 2010.  ABSTRACT: Following the 2010-11 Christchurch earthquakes, eccentrically braced frames (EBFs) gained popularity. During the earthquakes, this type of bracing system has withstood effectively the seismic forces. After the earthquakes, the ductile links of the frames could be replaced and buildings have recovered their lateral stiffness and strength for future earthquakes. These links were part of the frame beams. They had to be cut out and the replacement links had to be welded back into place. New steel EBFs built after the 2010-11 earthquakes are constructed with bolted ductile links that can be easily replaced after a strong earthquake. Seismic design provisions for EBFs with such replaceable, or modular, links have been introduced in the CSA S16-14 design standard for steel structures in Canada.


identifier: Dashtban Kenari, S. L. (2017). Integrated Fluidized Bed-Membrane Process for Advanced Iron and Manganese Control in Drinking Water  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le fer et le manganèse se retrouvent généralement dans les sources d'eau naturelles, particulièrement en eaux souterraines, qui contiennent fréquemment des niveaux élevés de ces minéraux sous forme dissoute. Les concentrations de fer et de manganèse peuvent causer des problèmes esthétiques à l'eau potable et entraîner des coûts supplémentaires pour le nettoyage ou le renouvellement des conduites obstruées. Les usines de traitement de l'eau ont donc intérêt à éliminer ces minéraux de l'eau potable.  ABSTRACT: Iron and manganese are commonly found in natural water supplies, particularly groundwater, which frequently contains high levels of these minerals in dissolved form. The occurrence of iron and manganese in drinking water mainly gives rise to aesthetic issues as well as additional cost for cleaning or renewing clogged pipes; thus, it is of interest for water treatment utilities to remove these minerals from drinking water.


identifier: Bendaoudi, H. (2017). Flexible Hardware Architectures for Retinal Image Analysis  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Des millions de personnes autour du monde sont touchées par le diabète. Plusieurs complications oculaires telle que la rétinopathie diabétique sont causées par le diabète, ce qui peut conduire à une perte de vision irréversible ou même la cécité si elles ne sont pas traitées. Des examens oculaires complets et réguliers par les ophtalmologues sont nécessaires pour une détection précoce des maladies et pour permettre leur traitement. Comme solution préventive, un protocole de dépistage impliquant l'utilisation d'images numériques du fond de l'œil a été adopté. Cela permet aux ophtalmologistes de surveiller les changements sur la rétine pour détecter toute présence d'une maladie oculaire. Cette solution a permis d'obtenir des examens réguliers, même pour les populations des régions éloignées et défavorisées. Avec la grande quantité d'images rétiniennes obtenues, des techniques automatisées pour les traiter sont devenues indispensables. Les techniques automatisées de détection des maladies des yeux ont été largement abordées par la communauté scientifique. Les techniques développées ont atteint un haut niveau de maturité, ce qui a permis entre autre le déploiement de solutions en télémédecine. Dans cette thèse, nous abordons le problème du traitement de volumes élevés d'images rétiniennes dans un temps raisonnable dans un contexte de dépistage en télémédecine. Ceci est requis pour permettre l'utilisation pratique des techniques développées dans le contexte clinique. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur deux étapes du pipeline de traitement des images rétiniennes. La première étape est l'évaluation de la qualité de l'image rétinienne. La deuxième étape est la segmentation des vaisseaux sanguins rétiniens. L'évaluation de la qualité des images rétinienne après acquisition est une tâche primordiale au bon fonctionnement de tout système de traitement automatique des images de la rétine. Le rôle de cette étape est de classifier les images acquises selon leurs qualités, et demander une nouvelle acquisition en cas d'image de mauvaise qualité. Plusieurs algorithmes pour évaluer la qualité des images rétiniennes ont été proposés dans la littérature. Cependant, même si l'accélération de cette tâche est requise en particulier pour permettre la création de systèmes mobiles de capture d'images rétiniennes, ce sujet n'a pas encore été abordé dans la littérature. Dans cette thèse, nous ciblons un algorithme qui calcule les caractéristiques des images pour permettre leur classification en mauvaise, moyenne ou bonne qualité. Nous avons identifié le calcul des caractéristiques de l'image comme une tâche répétitive qui nécessite une accélération. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l'accélération de l'algorithme d'encodage à longueur de séquence (Run-Length Matrix – RLM). Nous avons proposé une première implémentation complètement logicielle mise en œuvre sous forme d'un système embarqué basé sur la technologie Zynq de Xilinx. Pour accélérer le calcul des caractéristiques, nous avons conçu un co-processeur capable de calculer les caractéristiques en parallèle implémenté sur la logique programmable du FPGA Zynq. Nous avons obtenu une accélération de 30,1 × pour la tâche de calcul des caractéristiques de l'algorithme RLM par rapport à son implémentation logicielle sur la plateforme Zynq. La segmentation des vaisseaux sanguins rétiniens est une tâche clé dans le pipeline du traitement des images de la rétine. Les vaisseaux sanguins et leurs caractéristiques sont de bons indicateurs de la santé de la rétine. En outre, leur segmentation peut également aider à segmenter les lésions rouges, indicatrices de la rétinopathie diabétique. Plusieurs techniques de segmentation des vaisseaux sanguins rétiniens ont été proposées dans la littérature. Des architectures matérielles ont également été proposées pour accélérer certaines de ces techniques. Les architectures existantes manquent de performances et de flexibilité de programmation, notamment pour les images de haute résolution. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux techniques de segmentation du réseau vasculaire rétinien, la technique du filtrage adapté et la technique des opérateurs de ligne. La technique de filtrage adapté a été ciblée principalement en raison de sa popularité. Pour cette technique, nous avons proposé deux architectures différentes, une architecture matérielle personnalisée mise en œuvre sur FPGA et une architecture basée sur un ASIP. L'architecture matérielle personnalisée a été optimisée en termes de surface et de débit de traitement pour obtenir des performances supérieures par rapport aux implémentations existantes dans la littérature. Cette implémentation est plus efficace que toutes les implémentations existantes en termes de débit. Pour l'architecture basée sur un processeur à jeu d'instructions spécialisé (Application-Specific Instruction-set Processor – ASIP), nous avons identifié deux goulets d'étranglement liés à l'accès aux données et à la complexité des calculs de l'algorithme. Nous avons conçu des instructions spécifiques ajoutées au chemin de données du processeur. L'ASIP a été rendu 7.7 × plus rapide par rapport à son architecture de base. La deuxième technique pour la segmentation des vaisseaux sanguins est l'algorithme détecteur de ligne multi-échelle (Multi-Scale Ligne Detector – MSLD). L'algorithme MSLD est choisi en raison de ses performances et de son potentiel à détecter les petits vaisseaux sanguins. Cependant, l'algorithme fonctionne en multi-échelle, ce qui rend l'algorithme gourmand en mémoire. Pour résoudre ce problème et permettre l'accélération de son exécution, nous avons proposé un algorithme efficace en terme de mémoire, conçu et implémenté sur FPGA. L'architecture proposée a réduit de façon drastique les exigences de l'algorithme en terme de mémoire en réutilisant les calculs et la co-conception logicielle/matérielle.  Les deux architectures matérielles proposées pour la segmentation du réseau vasculaire rétinien ont été rendues flexibles pour pouvoir traiter des images de basse et de haute résolution. Ceci a été réalisé par le développement d'un compilateur spécifique capable de générer une description HDL de bas niveau de l'algorithme à partir d'un ensemble de paramètres. Le compilateur nous a permis d'optimiser les performances et le temps de développement. Dans cette thèse, nous avons introduit deux architectures qui sont, au meilleur de nos connaissances, les seules capables de traiter des images à la fois de basse et de haute résolution.  ABSTRACT: Millions of people all around the world are affected by diabetes. Several ocular complications such as diabetic retinopathy are caused by diabetes, which can lead to irreversible vision loss or even blindness if not treated. Regular comprehensive eye exams by eye doctors are required to detect the diseases at earlier stages and permit their treatment. As a preventing solution, a screening protocol involving the use of digital fundus images was adopted. This allows eye doctors to monitor changes in the retina to detect any presence of eye disease. This solution made regular examinations widely available, even to populations in remote and underserved areas. With the resulting large amount of retinal images, automated techniques to process them are required. Automated eye detection techniques are largely addressed by the research community, and now they reached a high level of maturity, which allows the deployment of telemedicine solutions.   In this thesis, we are addressing the problem of processing a high volume of retinal images in a reasonable time. This is mandatory to allow the practical use of the developed techniques in a clinical context. In this thesis, we focus on two steps of the retinal image pipeline. The first step is the retinal image quality assessment. The second step is the retinal blood vessel segmentation.  The evaluation of the quality of the retinal images after acquisition is a primary task for the proper functioning of any automated retinal image processing system. The role of this step is to classify the acquired images according to their quality, which will allow an automated system to request a new acquisition in case of poor quality image. Several algorithms to evaluate the quality of retinal images were proposed in the literature. However, even if the acceleration of this task is required, especially to allow the creation of mobile systems for capturing retinal images, this task has not yet been addressed in the literature. In this thesis, we target an algorithm that computes image features to allow their classification to bad, medium or good quality. We identified the computation of image features as a repetitive task that necessitates acceleration. We were particularly interested in accelerating the Run-Length Matrix (RLM) algorithm. We proposed a first fully software implementation in the form of an embedded system based on Xilinx's Zynq technology. To accelerate the features computation, we designed a co-processor able to compute the features in parallel, implemented on the programmable logic of the Zynq FPGA. We achieved an acceleration of 30.1× over its software implementation for the features computation part of the RLM algorithm. Retinal blood vessel segmentation is a key task in the pipeline of retinal image processing. Blood vessels and their characteristics are good indicators of retina health. In addition, their segmentation can also help to segment the red lesions, indicators of diabetic retinopathy. Several techniques have been proposed in the literature to segment retinal blood vessels. Hardware architectures have also been proposed to accelerate blood vessel segmentation. The existing architectures lack in terms of performance and programming flexibility, especially for high resolution images. In this thesis, we targeted two techniques, matched filtering and line operators. The matched filtering technique was targeted mainly because of its popularity. For this technique, we proposed two different architectures, a custom hardware architecture implemented on FPGA, and an Application Specific Instruction-set Processor (ASIP) based architecture. The custom hardware architecture area and timing were optimized to achieve higher performances in comparison to existing implementations. Our custom hardware implementation outperforms all existing implementations in terms of throughput. For the ASIP based architecture, we identified two bottlenecks related to data access and computation intensity of the algorithm. We designed two specific instructions added to the processor datapath. The ASIP was made 7.7× more efficient in terms of execution time compared to its basic architecture. The second technique for blood vessel segmentation is the Multi-Scale Line Detector (MSLD) algorithm. The MSLD algorithm is selected because of its performance and its potential to detect small blood vessels. However, the algorithm works at multiple scales which makes it memory intensive. To solve this problem and allow the acceleration of its execution, we proposed a memory-efficient algorithm designed and implemented on FPGA. The proposed architecture reduces drastically the memory requirements of the algorithm by reusing the computations and SW/HW co-design.  The two hardware architectures proposed for retinal blood vessel segmentation were made flexible to be able to process low and high resolution images. This was achieved by the development of a specific compiler able to generate low-level HDL descriptions of the algorithm from a set of the algorithm parameters. The compiler enabled us to optimize performance and development time. In this thesis, we introduce two novel architectures which are, to the best of our knowledge, the only ones able to process both low and high resolution images.


identifier: Akbarniai Tehrani, M. (2017). Direction of Arrival Estimation in Low-Cost Frequency Scanning Array Antenna Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse propose des méthodes d'estimation de la direction d'arrivée (DOA) et d'amélioration de la résolution angulaire applicables aux antennes à balayage de fréquence (Frequency Scanning Antenna ou FSA) et présente un développement analytique et des confirmations expérimentales des méthodes proposées. Les FSA sont un sous-ensemble d'antennes à balayage électronique dont l'angle du faisceau principal change en faisant varier la fréquence des signaux. L'utilisation des FSA est un compromis entre des antennes à balayage de phase (phased arrays antennas) plus coûteuses et plus complexes, et des antennes à balayage mécanique plus lentes et non agiles. Bien que l'agilité et le faible coût des FSA les rendent un choix plausible dans certaines applications, les FSA à faible coût peuvent ne pas être conformes aux exigences souhaitées pour l'application cible telles que les exigences de résolution angulaire. Ainsi, cette recherche tente d'abord de caractériser les capacités de résolution angulaire de certains systèmes d'antennes FSA sélectionnés. Elle poursuit en explorant des modifications ou extensions aux algorithmes de super-résolution capables d'améliorer la résolution angulaire de l'antenne et de les adapter pour être appliqués aux FSA. Deux méthodes d'estimation de la résolution angulaire, l'estimation du maximum de vraisemblance (Maximum Likelihood ou ML) et la formation du faisceau de variance minimale de Capon (Minimum Variance Beamforming ou MVB) sont étudiées dans cette recherche. Les deux méthodes sont modifiées pour être applicables aux FSA. De plus, les méthodes d'étalonnage et de pré-traitement requises pour chaque méthode sont également introduites. Les résultats de simulation ont montré qu'en sélectionnant des paramètres corrects, il est possible d'améliorer la résolution angulaire au-delà de la limitation de la largeur de faisceau des FSA en utilisant les deux méthodes. Les critères pour lesquels chaque méthode fonctionne le mieux sont discutés et l'analyse pour justifier les conditions présentées est donnée.  ABSTRACT: This research investigates direction of arrival (DOA) estimation and angular resolution enhancement methods applicable to frequency scanning antennas (FSA) and provides analytical development and experimental validation for the proposed methods. FSAs are a subset of electronically scanning antennas, which scan the angle of their main beam by varying the frequency of the signals. Using FSA is a trade-off between more expensive and complex phase array antennas and slower and non-agile mechanical scanning antennas. Although agility and low-cost of FSAs make them a plausible choice in some application, low-cost FSAs may not comply with the desired requirements for the target application such as angular resolution requirements. Thus, this research attempts to first characterize the angular resolution capabilities of some selected FSA antenna systems, and then modify or extend super-resolution algorithms capable of enhancing the angular resolution of the antenna and adapt them to be applied to FSAs. Two angular resolution estimation methods, maximum likelihood estimation (ML) and Capon minimum variance beamforming (MVB), are studied in this research. Both methods are modified to be applicable to FSAs. In addition, the calibration and pre-processing methods required for each method are also introduced. Simulation results show that by selecting correct parameters, it is possible to enhance angular resolution beyond the beamwidth limitation of FSAs using both methods. The criteria for which each method performs the best are discussed and an analysis supporting the presented conditions are given.  The proposed methods are also validated using the measured antenna radiation pattern of an 8-element FSA which is built based on a composite right/left-handed (CRLH) waveguide. In addition, the experimental results using a beam scanning parabolic reflector antenna using a frequency multiplexed antenna feed is given. The design limitations of this antenna reduces the performance of angular resolution enhancement methods. Therefore, a hybrid scanning system combining mechanical and frequency scanning using the beam scanning reflector antenna is also proposed.


identifier: Sim, S. (2017). Développement d'une base de données cartographiques et de modèles statistiques pour la caractérisation du cartilage articulaire  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'arthrose est l'une des maladies causant le plus de douleur et d'invalidité auprès de millions de personnes. En effet, selon l'Organisation des Nations unies, 130 millions de personnes dans le monde souffriront d'arthrose, dont 40 millions seront sévèrement invalides suite à la maladie. Connue comme la forme la plus commune d'arthrite, elle est caractérisée par la détérioration du cartilage articulaire, dont l'articulation la plus touchée est le genou. Malheureusement, l'arthrose du genou est souvent diagnostiquée lorsque des lésions sévères du cartilage articulaire sont présentes. À ce stade avancé de la maladie, les possibilités de traitements sont limitées. Néanmoins, puisque l'arthrose est une maladie qui se développe au fil des décennies, elle offre une large plage de temps pour en altérer son cours. Ainsi, la détection de l'état du cartilage articulaire à un stade préarthrosique permettra un diagnostic précoce des lésions articulaires pour entamer des traitements efficaces à un stade peu avancé de la maladie. Par conséquent, il y a toujours un besoin urgent de concevoir un dispositif médical permettant l'évaluation précoce et fiable de l'intégrité du cartilage articulaire.  Depuis plus d'une décennie, notre groupe de recherche s'est intéressé à cette problématique. Au fil des années, nos chercheurs ont étudié les propriétés électromécaniques du cartilage articulaire, nommés potentiels d'écoulement. Ce phénomène, qui consiste à des potentiels électriques générés suite au chargement du cartilage, a conduit à la conception d'un dispositif médical, l'Arthro-BST. Ce dispositif est une sonde arthroscopique munie d'un embout de 37 microélectrodes, permettant de mesurer ces potentiels d'écoulement. De nombreuses recherches ont démontré que les potentiels d'écoulement reflètent la structure, la fonction et la composition du cartilage ainsi que d'être sensible à la dégradation de ce dernier. Cette technique permet donc de diagnostiquer de façon précise les anomalies du cartilage et donc d'innover la caractérisation de ce tissu. Toutefois, l'Arthro-BST demeure un outil de mesure des potentiels d'écoulement générés lors de la compression du cartilage. L'objectif général de cette thèse est donc, de transformer le dispositif actuel en un outil précis de classification de la qualité du cartilage articulaire.  Tout d'abord, la première étude expérimentale visait à examiner la corrélation du paramètre quantitatif (QP) de l'Arthro-BST avec des techniques conventionnelles de caractérisation du cartilage humain. Bien que plusieurs études antérieures aient démontré la corrélation des potentiels d'écoulement avec les propriétés histologiques, biochimiques ou mécaniques du cartilage provenant d'articulations animales, il était essentiel d'étudier des tissus humains pour permettre une application clinique. Des mesures électromécaniques non destructives, à l'aide de l'Arthro-BST, ont d'abord été effectuées sur des surfaces articulaires entières, provenant de genoux cadavériques humains. Ensuite, des biopsies ont été extraites de ces échantillons afin d'y effectuer des analyses histologiques, biochimiques et mécaniques. Les résultats de cette étude ont démontré que le paramètre électromécanique corrèle fortement avec les scores histologiques et propriétés mécaniques du cartilage humain alors qu'une faible corrélation avec le contenu en protéoglycanes et en eau du cartilage a été observée. La forte corrélation entre le paramètre électromécanique et les scores histologiques suggère que les potentiels d'écoulements reflètent exactement la qualité du tissu et l'intégrité du réseau de collagène. De plus, la forte corrélation des propriétés électromécaniques avec les propriétés mécaniques démontre que les potentiels d'écoulement représentent effectivement les propriétés fonctionnelles du cartilage.  Par la suite, la seconde étude expérimentale visait à examiner la capacité du dispositif électromécanique, ainsi qu'une technique d'indentation automatisée (développée par la compagnie Biomomentum), à caractériser des surfaces articulaires humaines entières rapidement et d'une manière non destructive afin de détecter la dégénération précoce du cartilage. En effet, on a étudié la capacité du dispositif électromécanique à détecter efficacement l'état du cartilage ainsi que d'examiner sa rapidité à fournir les données électromécaniques. Pour ce faire, les échantillons ont été analysés de manière macroscopique, électromécanique, mécanique et en mesurant l'épaisseur du cartilage cartographiquement. Subséquemment, des biopsies ont été extraites de régions macroscopiquement saines et dégénérées à des fins histologiques, biochimiques et de compression non confinée. L'analyse macroscopique a permis de définir trois régions distinctes sur chaque surface articulaire : la région I était macroscopiquement dégénérée, la région II était macroscopiquement normale mais adjacente à la région I et la région III était le reste de la surface macroscopiquement normale. Chaque biopsie extraite a été assignée à une des trois régions et des analyses statistiques ont permis de révéler la sensibilité de chacune de ces caractérisations. Les résultats ont démontré que seuls les paramètres électromécaniques, obtenues par l'Arthro-BST, et mécaniques, obtenues par la technique d'indentation automatisée, permettaient de distinguer efficacement entre les régions II et III, soit d'identifier l'altération précoce du cartilage articulaire. Ces techniques ont montré non seulement une sensibilité supérieure aux techniques conventionnelles (histologiques ou biochimiques), mais elles étaient aussi bien plus rapides. Ainsi, grâce à ces résultats prometteurs, ces deux techniques cartographiques pourraient être utilisées pour des études expérimentales telles que des études sur la réparation du cartilage, où des surfaces articulaires entières peuvent être évaluées rapidement et de manière non destructive ou pour une utilisation clinique en utilisant la sonde électromécanique.  Finalement, grâce aux résultats encourageants de ces deux premières études expérimentales, la transition du dispositif en un outil de classification de la qualité du cartilage articulaire était évidente. Tout d'abord, il est important de mentionner la volonté à traduire les propriétés électromécaniques obtenues par la sonde en un langage compréhensible par les orthopédistes. Parmi les systèmes de caractérisation macroscopique, le score de l'International Cartilage Repair Society (ICRS), nommé score ICRS, a été choisi. Ce score ICRS se fonde sur la profondeur des lésions du cartilage articulaire et est représenté par une échelle nominale de 0 à 4. Malgré la subjectivité de ce score, il est largement utilisé par les arthroscopistes. Ainsi, il a été convenu que le paramètre électromécanique sera converti en un score électromécanique analogue au score ICRS, soit représenté sur une échelle continue allant de 0 à 4. Pour ce faire, une base de données électromécaniques du cartilage sain a été développée afin d'établir une référence au paramètre électromécanique. Comme suite à cela, un examen approfondi des propriétés électromécaniques en fonction de la dégénération du cartilage (se fondant sur le score ICRS) a été fait sur 100 surfaces articulaires provenant de remplacement total de genoux. Ensuite, une analyse statistique de l'effet des caractéristiques propres au patient et de l'emplacement spécifique de la mesure sur les propriétés électromécaniques a été effectuée. Cette analyse a révélé que seul l'emplacement spécifique de la mesure a un effet sur les propriétés électromécaniques. Ainsi, il est critique de considérer cette information lors du développement du score électromécanique. Finalement, une vérification sur des surfaces articulaires, présentant des lésions à différents stades de dégénération, a montré que le score électromécanique permettait non seulement, de distinguer des lésions non détectables macroscopiquement, mais également de classifier plus précisément les lésions.  Pour conclure, cette nouvelle fonctionnalité de classification a été implémentée dans l'Arthro-BST. En dépit des limitations, telles que la longue période de conservation des surfaces articulaires cadavériques et l'incapacité à diagnostiquer de manière autonome du cartilage normal ou très dégénéré (amincissement du cartilage), ce projet permet de révolutionner la caractérisation du cartilage articulaire d'une manière objective et quantitative. Cet outil est essentiel pour prévenir, mieux traiter et caractériser efficacement le cartilage articulaire. De plus, un projet en cours et complémentaire à celui-ci a pour objectif général de rendre l'algorithme de classification complètement autonome en analysant les signaux bruts de potentiels d'écoulement du cartilage articulaire afin de différencier un cartilage visuellement normal ou anormalement mince.  Mots-clés : Cartilage articulaire, genou, potentiel d'écoulement, électromécanique, diagnostic, humain  ABSTRACT: Osteoarthritis (OA) is the most common form of disease causing pain and disability in millions of people. Indeed, according to the United Nations, 130 people in the world will suffer from osteoarthritis, of which 40 million will be severely disabled as a result of the disease. Known as the most common type of arthritis, OA is characterized by the degeneration of the articular cartilage. The knee is one of the joints most commonly affected by OA. Unfortunately, OA in the knee is often diagnosed when severe cartilage lesions (up to the bone) are present. In late-stage OA, treatment options are limited. Nevertheless, since OA is a disease that develops over decades, it offers a wide range of time to alter its course. Thus, the detection of cartilage quality at a pre-osteoarthritic stage will allow to initiate effective treatments at an early stage of the disease. Therefore, there is still an urgent need to design a tool providing quantitative and reliable evaluation of cartilage integrity.  For more than a decade, our research group has been interested in this issue. Over the years, our researchers have studied the electromechanical properties of articular cartilage, called streaming potential. This phenomenon, which consists of electrical potentials generated by cartilage loading, led to the design of a medical device, the Arthro-BST. This device is an arthroscopic probe, with 37 microelectrodes lying on its semi-spherical indenter tip, making it possible to measure these streaming potentials. Numerous studies have shown that streaming potentials reflect the structure, function and composition of cartilage as well as being sensitive to cartilage degeneration. This technology makes it possible to accurately diagnose cartilage abnormalities and therefore, innovate the evaluation of this tissue. However, the Arthro-BST remains a tool for measuring compression-induced streaming potentials of cartilage. Thus, the general objective of this thesis is to transform the current device into a precise grading tool for cartilage quality.  The first experimental study aimed at examining the correlation of the quantitative parameter (QP) of the Arthro-BST with conventional techniques of human cartilage assessment. Although several previous studies have demonstrated the correlation of streaming potentials with histological, biochemical or mechanical properties of cartilage in animal models, it was essential to study human tissues for clinical application. Non-destructive electromechanical measurements using the Arthro-BST were first performed on entire articular surfaces from human cadaveric knees. Osteochondral cores were harvested from these samples for histological, biochemical and mechanical assessments. The results of this study demonstrated that the electromechanical QP correlates strongly with the histological and mechanical properties of human cartilage while a low correlation with the content of proteoglycans and water was observed. The strong correlation between the electromechanical QP and the histological scores suggested that the streaming potentials accurately reflects the quality of the tissue and the integrity of the collagen network. Moreover, the strong correlation of the electromechanical properties with the mechanical properties demonstrated that the streaming potentials represent the functional properties of the cartilage.  Subsequently, the second experimental study aimed to examine the capacity of the electromechanical device, as well as an automated indentation technique (developed by Biomomentum), to characterize entire human articular surfaces rapidly and non-destructively to distinguish between early degenerated and healthy articular cartilage. Effectively, we studied the ability of the electromechanical probe to accurately evaluate cartilage quality and the rapidity in which electromechanical data were obtained. To do this, the samples were mapped macroscopically, electromechanically, mechanically and by measuring cartilage thickness. Then, osteochondral cores were harvested from macroscopically healthy and degenerated areas for histological, biochemical and unconfined compression assessments. The macroscopic characterization allowed defining 3 distinct regions on each articular surface: region I was macroscopically degenerated, region II was macroscopically normal but adjacent to regions I and region III was the remaining normal articular surface. Each osteochondral core was assigned to one of the 3 regions and statistical analyses made it possible to reveal the sensitivity of each of these characterizations. The results demonstrated that only the electromechanical parameters obtained by the arthroscopic probe and the mechanical parameters obtained by the automated indentation technique allowed to distinguish early cartilage degeneration that appears visually normal but is adjacent to a defect. These techniques have not only shown superior sensitivity in regard to conventional techniques (histological or biochemical) but were also much faster. Thus, with these promising results, these two mapping techniques could be used in research such as cartilage repair studies where entire articular surfaces could be rapidly and non-destructively assessed or for clinical cartilage assessment using the electromechanical probe.  Taken together, the encouraging results of these two experimental studies revealed the diagnostic potential of the Arthro-BST and motivated its further development into a grading tool for articular cartilage quality. First, it is important to mention that to be clinically useful, the current output of the device must be translated into a language easily implemented by surgeons. Among the existing macroscopic classification systems, the International Cartilage Repair Society (ICRS) grade was chosen. This grading system is based on cartilage lesion severity and is represented by a nominal scale of 0 to 4. Despite the subjectivity of this score, it is widely used by arthroscopists. Thus, it was agreed that the electromechanical QP would be converted into an electromechanical score analogous to the ICRS grade, which means being represented on a continuous scale ranging from 0 to 4. To do this, an electromechanical database of healthy cartilage was built to establish a baseline for the electromechanical QP. Following this, an examination of the electromechanical properties in function of cartilage degeneration (based on the ICRS score) was performed on 100 articular surfaces issued from patients undergoing total knee replacement surgeries. Statistical analysis on the effect of patient-specific and location-specific characteristics on the electromechanical QP was conducted. This analysis revealed that electromechanical properties were not affected by patient-specific characteristics within each ICRS grade, but were significantly different across the articular surface. Thus, it is crucial to consider the location-specific information during cartilage evaluation to provide an accurate diagnostic. The relationship between the electromechanical QP and the ICRS grade was established to construct a continuous and quantitative electromechanical score analogous to ICRS grade. Finally, the reliability of this novel score was assessed by comparing it with ICRS grade on a subset of human articular surfaces. The electromechanical score not only made it possible to distinguish cartilage lesions not detected macroscopically but also offered more accurate grading of the lesions.  To conclude, this new grading functionality has been implemented in the Arthro-BST. Despite limitations such as the extended period of preservation of cadaveric articular surfaces and the inability to independently diagnose normal or much degenerated cartilage (cartilage thinning), this project revolutionizes the assessment of this tissue by being objective and quantitative. This tool is essential to prevent, improve treatment and evaluate accurately articular cartilage. In addition, an ongoing project and complementary to this one has the overall objective of making the grading algorithm completely autonomous by analyzing the raw signals of compression-induced streaming potentials of cartilage to differentiate visually normal and severely degraded cartilage due to cartilage thinning.  Keywords: Articular cartilage, knee, streaming potential, electromechanics, diagnostic, human


identifier: Sanchez Correa, R. (2017). Implementation of Ultra-Low Latency and High-Speed Communication Channels for an FPGA-Based HPC Cluster  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les clusters basés sur les FPGA bénéficient de leur flexibilité et de leurs performances en  termes de puissance de calcul et de faible consommation. Et puisque la consommation de puissance devient un élément de plus en plus importants sur le marché des superordinateurs, le domaine d'exploration multi-FPGA devient chaque année plus populaire. Les performances des ordinateurs n'ont jamais cessé d'augmenter mais la latence des réseaux d'interconnexion n'a pas suivi leur taux d'amélioration. Dans le but d'augmenter le niveau d'abstraction et les fonctionnalités des interconnexions, la complexité des piles de communication atteinte à nos jours engendre des coûts et affecte la latence des communications, ce qui rend ces piles de communication très souvent inefficaces, voire inutiles. Les protocoles de communication commerciaux existants et les contrôleurs d'interfaces réseau FPGA-FPGA n'ont la performance pour supporter ni les applications à temps critique ni un partitionnement étroitement couplé des systèmes sur puce. Au lieu de cela, les approches de communication personnalisées sont souvent préférées. Dans ce travail, nous proposons une implémentation de canaux de communication à haut débit et à faible latence pour une grappe de FPGA. Le système est constitué de deux BEE3, chacun contenant 4 FPGA de la famille Virtex-5 interconnectés par une topologie en anneau. Notre approche exploite la technologie à transducteur à plusieurs gigabits par seconde pour l'obtention d'une bande passante fiable de 8Gbps. Le module de propriété intellectuelle (IP) de communication proposé permet le transfert de données entre des milliers de coprocesseurs sur le réseau, grâce à l'implémentation d'un réseau direct avec capacité de routage de paquets. Les résultats expérimentaux ont montré une latence de seulement 34 cycles d'horloge entre deux noeuds voisins, ce qui est un des plus bas parmi ceux rapportés dans la littérature. En outre, nous proposons une architecture adaptée au calcul à haute performance qui comporte un traitement extensible, parallèle et distribué. Pour une plateforme à 8 FPGA, l'architecture fournit 35.6Go/s de bande passante effective pour la mémoire externe, une bande passante globale de réseau de 128Gbps et une puissance de calcul de 8.9GFLOPS. Un solveur matrice-vecteur de grande taille est partitionné et mis en oeuvre à travers le cluster. Nous avons obtenu une performance et une efficacité de calcul concurrentielles grâce à la faible empreinte du protocole de communication entre les éléments de traitement distribués. Ce travail contribue à soutenir de nouvelles recherches dans le domaine du calcul parallèle intensif et permet le partitionnement de système sur puce à grande taille sur des clusters à base de FPGA.  ABSTRACT: An FPGA-based cluster profits from the flexibility and the performance potential FPGA technology provides. Since price and power consumption are becoming increasingly important elements in the High-Performance Computing market, the multi-FPGA exploration field is getting more popular each year. Network latency has failed to keep up with other improvements in computer performance. Complex communication stacks have sacrificed latency and increased overhead to achieve other goals, being in most of the time inefficient and unnecessary. The existing commercial offthe- shelf communication protocols and Network Interfaces Controllers for FPGA-to-FPGA interconnection lack of performance to support time-critical applications and tightly coupled System-on-Chip partitioning. Instead, custom communication approaches are preferred. In this work, ultra-low latency and high-speed communication channels for an FPGA-based cluster are presented. Two BEE3s grouping 8 FPGAs Virtex-5 interconnected in a ring topology, compose the targeting platform. Our approach exploits Multi-Gigabit Transceiver technology to achieve reliable 8Gbps channel bandwidth. The proposed communication IP supports data transfer from coprocessors over the network, by means of a direct network implementation with hop-by-hop packet routing capability. Experimental results showed a latency of only 34 clock cycles between two neighboring nodes, being one of the lowest in the literature. In addition, it is proposed an architecture suitable for High-Performance Computing which includes performing scalable, parallel, and distributed processing. For an 8 FPGAs platform, the architecture provides 35.6GB/s off-chip memory throughput, 128Gbps network aggregate bandwidth, and 8.9GFLOPS computing power. A large and dense matrix-vector solver is partitioned and implemented across the cluster. We achieved competitive performance and computational efficiency as a result of the low communication overhead among the distributed processing elements. This work contributes to support new researches on the intense parallel computing fields, and enables large System-on-Chip partitioning and scaling on FPGA-based clusters.


identifier: Barros Telles Do Carmo, B. (2017). Opérationnaliser l'analyse du cycle de vie par l'approche multicritère d'aide à la décision : la modélisation de la subjectivité de l'être humain  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La durabilité est un concept de plus en plus important qui oriente les stratégies au niveau des politiques publiques et des compagnies. Toutefois, la manière d'opérationnaliser de façon réaliste ce concept reste un défi. La prise de décision dans un contexte de durabilité repose sur la manière d'évaluer la performance environnementale, sociale et économique et aussi sur la façon de présenter les résultats aux décideurs dans le but de promouvoir des choix durables. L'analyse de la durabilité du cycle de vie (AdCV) des produits est une source d'information holistique pour appuyer les processus de prise de décision en vue d'une production et d'une consommation durables. Par contre, l'usage de ce genre de résultat dans la prise de décision en milieu organisationnel n'est pas évident à cause de trois caractéristiques intrinsèques à ce genre de mesure : (i) les indicateurs sont multidimensionnels (chaque indicateur est exprimé en unités différentes), (ii) les objectifs sont contradictoires dans la plupart des problèmes décisionnels (il est impossible de maximiser les performances de tous les indicateurs) et (iii) il existe une incertitude associée à l'évaluation de la performance. De plus, l'utilisation de l'AdCV dans le processus décisionnel dépend aussi de l'amélioration des méthodes d'analyse de cycle de vie, en particulier pour AcCV (Analyse du coût du cycle de vie) et AsCV (Analyse sociale du cycle de vie), en raison de l'absence de normes internationales, malgré les lignes directives proposées par l'UNEP/SETAC (United Nations Environment Program/Society of Environmental Toxicology and Chemistry. Cette thèse vise donc à promouvoir l'opérationnalisation du concept de durabilité dans les processus décisionnels en milieu organisationnel par : (i) l'amélioration de la robustesse des méthodes AsCV par la traduction des performances qualitatives en mesures quantitatives et (ii) l'intégration des résultats d'AdCV dans la prise de décision à l'aide d'outils multicritères d'aide à la décision. D'une part, les études d'AsCV sont souvent qualitatives et ne tiennent pas compte de l'incertitude dans l'évaluation. À cause de cette limitation, ce genre de résultat est très peu utilisé comme donnée d'entrée dans les modèles décisionnels dans le contexte des affaires. Dans cette direction, nous proposons une méthode d'évaluation des performances sociales plus pertinente, qui tient compte des particularités de chaque indicateur à partir des fonctions de valeur customisées pour chaque sous-critère considéré dans le volet social. Ces fonctions sont définies à partir de jugements de valeur d'un groupe d'experts de manière à traduire les évaluations qualitatives dans un score de performance sociale quantitative. Une méthode de pondération est également proposée pour agréger les indicateurs dans chaque dimension sociale évaluée (dimension sociale évaluée = partie prenante impactée par le système de produits). Les échelles de traductions obtenues à partir du processus d'élicitation des points de vue des participants du groupe d'experts ne suivirent pas le comportement linéaire pour la plupart des indicateurs et sont distinctes entre les différents indicateurs, ce qui met en évidence un problème avec la méthode actuelle utilisée lors de la quantification d'analyse sociale du cycle de vie. Le fait de tenir compte des jugements de valeur des experts dans l'évaluation de la performance sociale d'un système de produit apporte des incertitudes liées aux jugements de valeur des gens, qui sont basés sur leurs expériences, convictions, histoire de vie, entre autres variables subjectives. Ces jugements peuvent donc changer beaucoup. Nous avons surmonté cette limitation en développant une approche stochastique incluant le choix de valeurs dans l'évaluation des impacts sociaux potentiels. L'inclusion de ce type d'incertitude permet une évaluation plus robuste à partir de la présentation au décideur du niveau de confiance des performances d'AsCV, c'est-à-dire la probabilité qu'un système de produit soit classé en premier (présentant les meilleurs résultats agrégés) pour chaque partie prenante en considérant l'imprécision et la variabilité des jugements de valeur des gens. Donc, notre étude permet de vaincre la limite associée à la faible capacité d'une approche déterministe de capturer la subjectivité de l'être humain au moment de l'évaluation des impacts sociaux. D'autre part, la prise de décision à partir d'études d'AdCV est limitée aux performances AdCV déterministes et aux choix aléatoires des méthodes d'agrégation. Dans cette direction, nous proposons l'intégration des performances environnementales, sociales et économiques à partir d'outils d'aide à la décision de manière à favoriser l'usage des résultats de l'AdCV dans le milieu organisationnel. L'intégration des résultats est basée sur l'importance accordée aux critères environnementaux, sociaux et économiques établis par les décideurs. Nous avons testé quatre modèles d'aide à la décision pour observer la robustesse des solutions proposées dans ces différentes approches. L'application de ce développement méthodologique permet d'obtenir le niveau de confiance des classements complets des systèmes de produits, en  considérant les trois dimensions de la durabilité (et ses différents indicateurs) en même temps, à partir de l'incorporation de l'incertitude des performances de l'AdCV au sein des modèles multicritères d'aide à la décision. Il est important de remarquer que notre approche n'est pas une phase d'analyse du cycle de vie, mais une étape supplémentaire d'agrégation des performances dans le but de faciliter la compréhension et l'emploi de la riche source d'informations produite par les études d'AdCV comme les données d'entrée dans un processus décisionnel. En répondant aux objectifs de la recherche, ce projet a permis de franchir les limites de la quantification et de l'agrégation de l'analyse sociale du cycle de vie et de leur intégration avec les résultats d'analyse environnementale et des couts du cycle dans une analyse globale de durabilité du cycle pour appuyer le processus de prise de décision.  ABSTRACT: Sustainability concept drives the strategies at the level of public policies and companies. However, it remains a challenge how to operationalize this concept faithfully. Decision-making based on sustainability performances is based on the method considered to assess environmental, social and economic performances and how to present results to decision-makers in order to promote sustainable choices. Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) of products is a holistic source of information to support decision-making processes for sustainable production and consumption. However, the use of this type of result in companies' decision-making is not obvious because of three intrinsic characteristics: (i) the AdCV indicators are multidimensional (each indicator is expressed in different units), (ii) the objectives are contradictory in majority of decision-making problems (it is impossible to maximize performance across all indicators) and (iii) there is uncertainty associated with performance evaluation. In addition, LCSA use in the decisionmaking process also depends on improved life-cycle methods, particularly for LCC and SLCA, due to the lack of internationally standardized processes for both, despite the guidelines proposed by UNEP / SETAC. This thesis debates two research questions in order to integrate LCSA results in companies' decision-making: (i) implementation of improvements in SLCA methods (translation of qualitative performances into quantitative measures) and (ii)  integration of LCSA results into decision-making using support decision-making tools. Considering the social dimension, SLCA studies are often qualitative and don't address the uncertainty associated to the value judgment of people. It limits the use of this kind of performances as input of decision-making models in the business context. We propose a method to obtain a more accurate social performance that takes into account the peculiarities of each indicator by the use of customized value functions for each sub-criterion considered in the social dimension. These functions are defined from the value judgment of a group of experts in order to translate the qualitative evaluations into a quantitative social performance score. A weighting method was also proposed to aggregate the indicators within each evaluated social dimension (social dimension evaluated = stakeholder in the context of SLCA studies). The translation scales obtained from the elicitation process did not follow the linear behavior for most of the indicators and are distinct among different indicators, highlighting the problem with the current method used when quantifying the social performances through life cycle approach. Taking into account the value judgment of experts when assessing social performance of product systems introduces uncertainties related to people's value judgment (based on their experiences, convictions, life history among others subjective variables). These judgments can therefore vary a lot. We overcome this limitation by developing a stochastic approach including uncertainty in assessing potential social impacts. The inclusion of this type of uncertainty allows a more accurate assessment. It allows presenting to decision-maker about the confidence level of SLCA performance, i.e. the probability that a product system is ranked first (product system presenting the best aggregated result) for each stakeholder dimension considering the variability of people's value judgments. Thus, our study allows surpassing the limit associated with the low capacity of a deterministic approach to capture subjectivity of human being when assessing social impacts. On the other hand, decision-making based on LCSA studies is limited to deterministic performances and random aggregation method choice. We integrate environmental, social and economic performance into decision-making by MCDA techniques in order to promote the use of LCSA results. We tested four MCDA models to observe the robustness of the solutions proposed by them. The application of this methodological development makes possible obtaining the rankings' confidence levels, considering the three dimensions of sustainability (and its various indicators) at the same time, the LCSA performance uncertainty by multiple criteria decision analysis models. Our approach promotes sustainable decisions. It is important to note that this step is not part of the LCA approach but is considered an additional phase to facilitate the understanding and the use of the rich source of information generated by LCSA studies as input data into a decisionmaking process. In responding to the research objective, this project allowed overcome limits on quantification and aggregation in life-cycle social analysis and its integration with environmental and economic life cycle sustainability analysis in order to support decision-making processes.


identifier: Abedinpour Fallah, M. (2017). A Class of Networked Multi-Agent Control Systems: Interference Induced Games, Filtering, Nash Equilibria  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Nous considérons une classe de systèmes de contrôle stochastiques linéaires scalaires en réseau dans lesquels un grand nombre d'agents contrôlés envoient leurs états à un concentrateur central qui, à son tour, envoie des commandes de contrôle silencieuses basées sur ses observations et vise à minimiser un coût quadratique donné. La technologie de communication est l'accès multiple par répartition en code (CDMA) et, par conséquent, les signaux reçus sur le concentrateur central sont corrompus par des interférences. Les niveaux des signaux envoyés par les agents sont considérés proportionnels à leur état, et le traitement des signaux basés sur le CDMA réduit l'interférence d'autres agents d'un facteur de 1/N où N est le nombre d'agents. L'interférence existante crée par inadvertance une situation de jeu dans laquelle les actions d'un agent affectent son état et donc par interférence, la capacité d'autres agents à estimer les leurs, influençant à leur tour leur capacité à contrôler leur état. Ceci conduit à des problèmes d'estimation fortement couplés. Cela conduit également à une situation de contrôle dual puisque les contrôles individuels contrôlent l'état mais affectent également le potentiel d'estimation de cet état. La thèse comporte trois parties principales. Dans la première partie, nous montrons que le fait d'ignorer le terme d'interférence et d'utiliser un principe de séparation pour le contrôle mène à des équilibres de Nash asymptotiques en N, pourvu que la dynamique individuelle soit stable ou “pas excessivement” instable. Que pour certaines classes de coût et de paramètres dynamiques, les lois de contrôle séparées optimales obtenues en ignorant le couplage interférentiel, sont asymptotiquement optimales lorsque le nombre d'agents passe à l'infini, formant ainsi pour un nombre de joueurs fini N, un équilibre �-Nash. Plus généralement, les lois de contrôle séparées optimales peuvent ne pas être asymptotiquement optimales et peuvent en fait conduire à un comportement global instable. Nous considérons donc une classe de lois de contrôle centralisées paramétrées selon lesquelles le gain séparé de Kalman est traité comme le gain arbitraire d'un observateur analogue à un observateur de Luenberger. Les régions de stabilité du système sont caractérisées et la nature des politiques optimales de contrôle coopératif au sein de la classe considérée est explorée. La deuxième partie concerne l'extension du travail dans la première partie au-delà du seuil d'instabilité des contrôles coopératifs. Il est alors observé que les contrôles linéaires invariants dans le temps basés sur les sorties des filtres de dimension croissante semblent toujours maintenir la stabilité du système et d'intrigantes propriétés sur les estimations des états sont observées numériquement.  ABSTRACT: We consider a class of networked linear scalar stochastic control systems whereby a large number of controlled agents send their states to a central hub, which in turn sends back noiseless control commands based on its observations, and aimed at minimizing a given quadratic cost. The communication technology is code division multiple access (CDMA), and as a result signals received at the central hub are corrupted by interference. The signals sent by agents are considered proportional to their state, and CDMA based signal processing reduces other agents' interference by a factor of 1/N where N is the number of agents. The existing interference inadvertently creates a game situation whereby the actions of one agent affect its state and thus through interference, the ability of other agents to estimate theirs, in turn influencing their ability to control their state. This leads to highly coupled estimation problems. It also leads to a dual control situation as individual controls both steer the state and affect the estimation potential of that state. The thesis is presented in three main parts. In the first part, we show that ignoring the interference term and using a separation principle for control provably leads to Nash equilibria asymptotic in N, as long as individual dynamics are stable or “not exceedingly” unstable. In particular, we establish that for certain classes of cost and dynamic parameters, optimal separated control laws obtained by ignoring the interference coupling are asymptotically optimal when the number of agents goes to infinity, thus forming for finite N an �-Nash equilibrium. More generally though, optimal separated control laws may not be asymptotically optimal, and can in fact result in unstable overall behavior. Thus we consider a class of parameterized decentralized control laws whereby the separated Kalman gain is treated as the arbitrary gain of a Luenberger like observer. System stability regions are characterized and the nature of optimal cooperative control policies within the considered class is explored. The second part is concerned with the extension of the work in the first part past the instability threshold for the previous cooperative Luenberger like observers. It is observed that time invariant linear controls based on the outputs of growing dimension filters appear to always maintain system stability, and intriguing state estimate properties are numerically observed. More specifically, we tackle the case of exact decentralized filtering under a class of time invariant certainty equivalent feedback controllers, and numerically investigate both stabilization ability and performance of such controllers as the state estimate feedback gain varies. While the optimum filters have memory requirements which become infinite over time, the stabilization ability of their finite memory approximation is also tested.


identifier: Ahmadi Tameh, T. (2017). Optical Rotary Sensors for Avionic Applications  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse concerne des nouveaux capteurs optiques dédiés aux systèmes de contrôle de vol d'avions «fly-by-wire (FBW)». Les capteurs de déplacement sont utilisés dans les systèmes de contrôle de vol pour détecter la distraction du pilote, les déplacements de l'actionneur et ceux de la surface de vol. Actuellement, les capteurs « Rotary variable displacement transducers - RVDTs» utilisés dans les systèmes de contrôle de vol d'avions FBW sont les capteurs basés sur des circuits magnétiques et électroniques analogiques. Donc, une interface électronique est nécessaire pour la démodulation et numérisation des signaux reçus. Par conséquent, des paires de fils longs torsadés sont utilisés pour connecter le RVDT à l'ordinateur installé à bord de l'avion. Les paires de fils torsadés sont lourds et sensibles aux interférences électromagnétiques (IEM) et aux coups de foudre qui peuvent se produire pendant le vol. Nous proposons des capteurs optiques intelligents pour réduire le poids de l'avion, la consommation du carburant pour un environnement vert, l'IEM et pour utiliser moins de pièces métalliques afin de protéger davantage l'avion contre les coups de foudre. La conception des encodeurs de capteurs optiques rotatifs (Optical rotation sensors - ORSs) est basée sur trois exigences importantes, soient la fiabilité, la linéarité, et l'exactitude de mesures. Ces capteurs intégrés dans le système de vol doivent être intelligents. Pour la fiabilité, la réponse du capteur est calculée à partir du ratio des deux puissances optiques ou celui de la différence divisée par la somme de ces deux puissances optiques. Cependant, pour la linéarité, la réponse du capteur consiste en une relation linéaire avec le paramètre à mesurer qui est l'angle de rotation. Quant à l'exactitude, l'erreur doit être moins de 1% sur toute la gamme de mesures. De plus, pour un capteur intelligent, le capteur basé sur des circuits analogiques, les convertisseurs au monde numérique et l'étape de démodulation doivent être emballés dans un boîtier commun. Dans un premier prototype, un capteur de déplacement ratio-métrique, auto-référant, analogique et optique a été proposé pour les applications avioniques. La position de rotation est déterminée par le ratio de deux puissances lumineuses réfléchie et transmise qui rendent le capteur indépendant de fluctuations de puissance. L'encodeur multi-gradient original proposé compense pour l'usage d'une source non-uniforme.  ABSTRACT: This thesis is on novel optical sensors for smart sensor system needed in flight control system (FCS) of fly-by-wire (FBW) aircraft. Displacement sensors are needed in FBW-FCS to detect pilot inceptors, actuator displacements, and flight control surface movement. Currently, the sensors used for rotary variable displacement transducers (RVDTs) are analog electronic sensors, hence an electronic interface is needed for demodulation and digitization of analog signals. As a result, long twisted wires are drawn from the sensor to the flight control computer (FCC) interface which are heavy and susceptible to electromagnetic interference (EMI) and lightning strike. By proposing smart optical sensors, we aim to reduce the aircraft weight to decrease the fuel usage towards a greener environment, reduce EMI, and protect the aircraft against a lightning strike by using fewer metallic parts. The encoders of the optical rotation sensors (ORS) are designed based on three important requirements of reliability, linearity, and accuracy. In addition, they must be smart sensors to be integrated into the smart sensor system needed in FBW aircraft. For reliability requirements, the designed sensor response is the ratio of two optical powers or the ratio of the difference to the sum of two optical powers. For linearity requirement, the sensor response must be a linear relation with the measurand which is the rotation angle. For accuracy requirement, the error should be less than 1% over the full range. In addition, for a smart sensor, the analog sensor and the electronics for digitization and demodulation have to be packaged into a single housing.In the first design, an optical, analog, self-referencing, ratio-metric, smart displacement sensor is proposed for avionic applications. The position of rotation is determined by an encoder by the ratio of the transmitted and reflected light powers, which makes the sensor independent of power fluctuations. A single multi-gradient encoder design compensates for the use of a non-uniform source. An anti-reflection coated glass window with the outer diameter of 27mm is used with an encoder pattern mapped on it using aluminum deposition. The experimental results show that the ratio of the transmitted and reflected powers has an accuracy of 0.53% over the full range, matching the specifications for avionic applications.