identifier: Pichon, H. (2018). Outils de conception pour barrières acoustiques multicouches  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le bruit peut avoir des conséquences néfastes sur le confort et la santé. Lors de la conception d'un système mécanique, des efforts sont faits pour en réduire le niveau. Les barrières acoustiques peuvent être utilisées pour résoudre ces problèmes de bruit, en bloquant les ondes sonores (phénomène de perte par transmission) ou en les dissipant (phénomène d'absorption). Lorsqu'un seul matériau n'est pas suffisant pour répondre aux besoins d'un problème acoustique, on utilise des barrières acoustiques multicouches. L'assemblage de plusieurs couches permet d'atteindre des propriétés plus intéressantes que les constituants seuls. La conception d'une barrière acoustique multicouche découle de plusieurs choix sur les matériaux utilisés, le nombre de couches, leur agencement, etc. Ces choix ne sont pas évidents, car les propriétés d'une structure multicouche ne sont pas une simple addition des propriétés de chaque couche. De plus, dans l'industrie, le concepteur n'a souvent à sa disposition qu'un nombre limité de matériaux et d'épaisseurs de couches, à partir duquel de nombreuses séquences de couches sont possibles. Ce projet de maîtrise propose des outils et méthodologies pour la conception des barrières acoustiques multicouches. Le présent travail a été réalisé en trois axes. Tout d'abord, des échantillons de structures monocouches et multicouches ont été caractérisés expérimentalement, ce qui a permis d'établir des premières tendances ainsi que d'acquérir des propriétés de matériaux nécessaires dans la suite du projet. Puis des outils ont été développés afin de comparer et d'améliorer les performances acoustiques de barrières données, au cas par cas. Enfin, une base de données et un outil de conception ont été développés pour aborder la conception généralisée des barrières multicouches. La caractérisation expérimentale a été réalisée avec un tube de Kundt. Les mesures ont permis de comparer les performances des différents échantillons, et d'observer des premières tendances de conception. Les propriétés de deux matériaux poreux ont été obtenues, et ont été complétées par des données issues de la littérature. Deux outils de conception au cas par cas ont été développés. Le premier permet de comparer visuellement les performances de différentes barrières et de choisir une solution à un problème acoustique donné. Le deuxième outil permet de visualiser sous la forme de surfaces l'effet de la variation de certaines épaisseurs de couches sur les performances d'une structure multicouche donnée, et permet donc de rechercher des améliorations à une barrière existante. Les performances sont prédites à l'aide d'un programme interne du laboratoire, basé sur la méthode des matrices de transfert.  ABSTRACT: Noise can negatively impact well-being and health. At the early stage of design, efforts are made to reduce noise levels. Acoustic packages can effectively solve noise problems, by blocking sound waves (transmission loss phenomenon) or by dissipation (absorption phenomenon). When a single monolithic material is not sufficient to meet the needs of an acoustical problem, multilayer acoustic packages are used. The combination of several layers can lead to better properties than their individual components. The design of a multilayer acoustic package is the result of choices on materials, number of layers, layout, etc. These choices are not obvious, because the properties of the whole multilayer structure are not a simple sum of layer properties. Moreover, in industrial applications, design is often limited to a given set of available materials and layer thicknesses, from which many combinations are possible. This project presents tools and methodologies for the design of multilayer acoustic packages. The present work is organized in three axes. First, samples of both single layer and multilayer structures were experimentally characterized. This allowed establishing trends along with acquiring material properties which are needed later in the project. Then, tools were developed to compare and enhance acoustic performances of given packages. Finally, a database was created as well as a design tool to handle the generalized design of multilayer acoustic packages. Experimental characterization was performed with a Kundt's tube. Measurements allowed comparing performance of several samples and observing first design trends. Properties of two porous samples were identified, and completed with data from literature. Two case by case design tools were developed. The first tool allows comparing visually the performance of several acoustic packages, in order to select a solution to a given acoustic problem. The second tool shows the effect of layer thicknesses on the performance of a given multilayer package through 3D surface visualization, which allows improving an existing package. Acoustic package performance is predicted by an in-house software, based on the transfer matrix method. After this case by case study, tools were developed to visualize performance for a high number of multilayer structures. By taking into account an existing inventory of available materials with given thicknesses, a database is pre-computed, allowing a designer to access all possible solutions with no extra computation time. A design tool was developed, taking advantage of this database. For selected performance parameters, it displays a map of “better solutions”, allowing a designer to make a choice based on a trade-off between objectives.


identifier: Bouvard, J. (2018). Étude de l'injection de bulles d'air dans un écoulement d'eau  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire étudie l'injection d'air de façon transverse à un écoulement d'eau. L'injection d'air dans l'eau a déjà été étudiée de multiples fois depuis des décennies, mais, la plupart de ces recherches ayant été faites en eau stagnante et avec un faible nombre de bulles, très peu d'informations n'est disponible sur ce sujet. En effet, avec comme objectif final d'injecter de façon optimale de l'oxygène dans les conduites des centrales hydroélectriques afin d'éviter l'appauvrissement saisonnier de l'oxygène dans l'eau en aval des dites centrales, il est nécessaire de tenir compte des contraintes de telles infrastructures. Ainsi, un écoulement d'eau et une forte injection de gaz est indispensable pour obtenir des résultats intéressants. Ce travail étant le premier d'une longue lignée, l'essentiel de celui-ci consiste à concevoir et fabriquer plusieurs dispositifs expérimentaux permettant d'effectuer des mesures pertinentes, ces dispositifs devant ainsi permettre l'injection d'air par des injecteurs différents ainsi que la prise de mesures de pression et de sonde optique. Tout ceci ayant lieu dans une veine d'essais de taille réduite, il a été très compliqué de prendre en compte toutes les contraintes expérimentales, notamment au niveau de l'étanchéité de tous les équipements. Néanmoins, tous les différents obstacles, prévus ou imprévus, ont été surmontés afin d'aboutir à des résultats intéressants et encore jamais obtenus sur les variations de pression lors de l'injection d'air à travers diverses géométries d'injecteurs ainsi que sur les caractéristiques de l'écoulement diphasique en résultant. On constate que la perte de charge peut rapidement devenir très importante au niveau de l'injection, quel que soit la forme de l'injecteur. Les cartes de taux de vide et les caractéristiques des bulles d'air permettent de mieux comprendre l'écoulement diphasique généré par l'injection. Tous les dispositifs expérimentaux conçus et fabriqués, tous les protocoles expérimentaux testés et tous les résultats obtenus pendant cette maîtrise sont un très bon socle, une très bonne base pour les futurs travaux qui suivront et enrichiront ce sujet.  ABSTRACT: This thesis studies the air injection crosswise a water flow. The air injection inside water has already been studied multiple times, but, as most of the research was done in stagnant water with a small number of bubbles, little information is available on the subject. As the main goal is to optimally inject oxygen into the hydraulic passages of hydroelectric dams to avoid low downstream dissolved oxygen concentrations, and such low dissolved oxygen concentration can occur seasonally in certain regions, it is important to take into account the constraints of such plants. A water flow combined with an significant gas injection can provide interesting results. As this work is the first of many, the main task is to conceive and build an experimental apparatus capable of pertinent measures. For instance, being able to measure pressures along the vein and flow characteristics while easily switching injectors is one of the different challenges. The vein itself being quite small, the experimental constraints, and especially the watertightness of all the devices, are quite difficult to take into account perfectly. Nevertheless, all the impediments were overcome and some interesting and new results were obtained, for example, the pressure variations through numerous injectors as well as the characteristics of the diphasic flow. The pressure losses can quickly become high near the injector, regardless of its geometry. Also, the void fraction maps and the bubble characteristics help us to better understand the diphasic flow generated by the air injection. The experimental apparatus, designed and made, all the experimental protocols and the results obtained during this master are a good base for the future works on the subject.


identifier: Lortie, S. (2018). Simulation d'écoulements à surface libre entre un liquide et un gaz compressible  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente une formulation éléments finis qui permet de résoudre des écoulements compressibles instationnaires subsoniques. La motivation de ce travail provient de la volonté d'améliorer les prédictions d'écoulements diphasiques séparés par une interface. En particulier, on s'intéresse au déferlement de vagues qui emprisonnent une poche d'air. D'abord, on développe une formulation des équations de Navier-Stokes compressible qui permet de gérer plusieurs régimes d'écoulements compressibles dans le même domaine. Pour résoudre ce système d'équations, on utilise une formulation par éléments finis. Pour les problèmes instationnaires, on utilise la méthode des « Backward Differentiation Formula » (BDF) avec un estimateur d'erreur de troncature pour effectuer l'intégration temporelle. En plus, on utilise une formulation ALE qui laisse le maillage de se déplacer dans le temps pour lui permettre de suivre les déformations d'une ou plusieurs frontières du domaine (comme c'est le cas pour un écoulement avec interface). Ces outils mentionnés ci-haut sont déjà tous utilisés pour le calcul d'écoulements à interface, mais pour des fluides incompressibles seulement. Donc, le but de ce mémoire est d'implémenter dans les formulations les termes compressibles qui s'ajoutent aux équations incompressibles. Pour vérifier que l'implémentation est bien faite, on effectue la vérification par la méthode des solutions manufacturées. On présente d'abord un problème stationnaire compressible pour montrer que les termes stationnaires sont bien résolus suivi par une solution manufacturée instationnaire compressible qui fait intervenir tous les termes ajoutés. Ainsi, on peut vérifier que les méthodes BDF se comportent de la bonne façon pour l'estimation des dérivées temporelles de la pression et de la température (essentiellement les termes ajoutés par la formulation compressible). Ensuite, puisque le problème de la vague déferlante se caractérise par la compression d'une poche de gaz, on procède à la validation du code avec le problème de Bagnold. Ce problème en 1D consiste à évaluer la pression de l'air dans un contenant compressé par un piston. Une fois la validation terminée, on se lance dans le calcul final du cas de déferlement de la vague. Les résultats obtenus sont encourageants comparativement à la formulation tout incompressible, mais il reste du travail à faire pour obtenir un modèle qui représente le mieux possible la réalité.  ABSTRACT: In this work, we present a finite element formulation to solve compressible transient flows. The motivation for this project comes from the will to get better predictions on interface flows. We present a special interest in sloshing where a pocket of gas is trapped under a wave of incompressible fluid. First, we develop a formulation of the compressible Navier-Stokes equations that is well posed for the limit cases where the Mach number tends towards zero. This allows us to compute a solution where there are multiple regimes of compressible flows in different parts of the domain. To do so, we use a finite element solver coupled with the adaptive "Backward Differentiation Formula" (BDF) method for time integration. Moreover, we use an ALE formulation that allows the mesh to move in time to track the deformation of one or more boundaries (like an interface). Presently, all the tools that are mentioned are already used to solve interface flows where all the fluids are incompressible. So, the main objective of this work is to implement the compressible transient terms in the already existing incompressible solver. Once this is done, we want to verify if the implementation was done correctly by the method of manufactured solutions (MMS). The first MMS we do is a stationary problem to verify if the compressible flow equations that are already implemented are correctly solved in space. Then, we test an unsteady MMS, to verify if the transient terms that were added are also solved correctly. Once the implementation is verified, we may validate the code. We chose a solution that fits well with the interface problem that we want to solve (the Large Gas Pocket problem). Hence, we choose to solve the Bagnold's 1D model that characterizes the behavior of air being compressed by a mass of fluid. Finally, with the verification and validation done for the terms that were implemented, we jump on the real case problem. In this problem, we compare the newly implemented compressible solution with the solution where air is considered as incompressible. The results that are obtained are encouraging, but a lot of work is yet to be done before getting a truly good estimation of this case.


identifier: Lefebvre, J. (2018). Neuro-imagerie multimodale et multirésolution de cerveaux de souris combinant l'histologie sérielle par tomographie en cohérence optique et l'IRM de diffusion  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'histologie sérielle est une technique d'imagerie permettant d'observer des échantillons entiers à haute résolution. Cette technique consiste à trancher de fines couches de tissu, puis à déplacer l'échantillon sous un objectif de microscope afin d'acquérir autant d'images que nécessaire pour couvrir toute la surface révélée par la coupe. Ce processus est automatisé et est répété jusqu'à ce que tout l'échantillon soit imagé, c'est-à-dire un cerveau de souris dans cette thèse. Couplée à un microscope par tomographie en cohérence optique (OCT), cette modalité est capable de cartographier la distribution spatiale de la matière blanche dans des cerveaux entiers de souris. L'objectif principal de cette thèse était de développer les méthodes de reconstruction nécessaires à l'assemblage en un seul volume des milliers d'images acquises par un système d'histologie massive. De plus, dans cette première phase du projet, des méthodes permettant d'aligner les données sur des images IRM acquises pour les mêmes animaux ont été développées. Cela a permis de mieux comprendre l'origine du contraste optique dans le cerveau et cela offre maintenant la possibilité d'intégrer l'histologie massive dans les études de neuro-imagerie employant des groupes d'animaux. Dans une seconde phase du projet, un microscope à cohérence optique haute résolution a été ajouté au système d'histologie par OCT existant. Cette nouvelle plateforme d'imagerie utilise les images à basse résolution comme repère pour localiser au sein du cerveau les images à haute résolution du second microscope. L'utilité d'une telle plateforme réside dans le fait qu'il est maintenant possible de cibler des régions spécifiques à observer en détail sans avoir à imager un cerveau entier à cette grande résolution, ce qui représenterait plusieurs semaines de mesurage et des quantités immenses de données à assembler. Les données mesurées avec la nouvelle plateforme ont été intégrées à la procédure de reconstruction et d'alignement développé pour la première phase du projet. Ainsi, il a été possible de comparer les images à grande résolution avec les données d'IRM de diffusion acquises pour les mêmes cerveaux de souris. Ceci a permis de confirmer des hypothèses posées lors de l'analyse des données IRM de diffusion à partir de la microscopie. Les méthodes de reconstruction, d'alignement et d'analyse développées, ainsi que la nouvelle plateforme d'histologie sérielle bi-résolution par OCT, offrent enfin la possibilité d'utiliser cette modalité optique pour réaliser des études de groupes animales ou bien pour valider des mesures faites dans le cerveau avec d'autres modalités d'imagerie telle que l'IRM de diffusion.  ABSTRACT: Serial histology is an imaging technique able to observe whole samples at high resolution. This technique involves cutting thin tissue layers, followed by the positioning of the sample under a microscope objective and the acquisition of as many images as necessary to cover the entire area revealed by the cut. This process is automated and is repeated until the entire brain has been imaged. Coupled with an optical coherence tomography (OCT) microscope, this modality is able to map the spatial distribution of white matter in whole mouse brains. The main objective of this thesis was to develop the reconstruction methods necessary for the assembly into a single volume of the thousands of images acquired with a massive histology system. In addition, in this first project phase, methods for aligning data on MRI images acquired for the same animals have been developed. This has led to a better understanding of the optical contrast origin in the brain and it now offers the possibility of integrating massive histology into neuroimaging studies using animal groups. In a second phase of the project, a high resolution optical coherence microscope was added to the existing OCT histology system. This new imaging platform uses low-resolution images as a reference to locate the high-resolution images of the second microscope within the brain. The usefulness of such a platform lies in the fact that it is now possible to target specific regions to observe in detail without having to image an entire brain at this high resolution, which would represent several weeks for measurements and immense quantities of data to assemble. The data measured with the new platform have been incorporated into the reconstruction and alignment procedure developed for the first phase of the project. Thus, it was possible to compare the high resolution images with the diffusion MRI data acquired for the same mouse brains. This made it possible to confirm hypotheses posed during the analysis of diffusion MRI data. The methods of reconstruction, alignment and analysis developed during this thesis, as well as the new dual resolution serial OCT histology platform, finally offer the possibility of using this optical modality to carry out studies of animal groups or to validate measurements made in a brain with other imaging modalities such as diffusion MRI.


identifier: Briand, A. (2018). Génération automatique de mélodie par la programmation par contraintes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La programmation par contraintes est un type de programmation déclarative, un paradigme naturellement adapté au traitement de problèmes musicaux. En effet, la composition musicale s'apparente à un processus déclaratif pendant lequel le compositeur travaille pour créer de la musique qui respecte les règles générales de l'art et les critères plus spécifiques du style adopté tout en y incorporant ses propres contraintes. Le parallèle entre cet exercice et la résolution d'un problème de satisfaction de contraintes se fait donc instinctivement. La principale difficulté se trouve au niveau de la modélisation du problème. Une pièce musicale est composée de plusieurs dimensions entre lesquelles existent beaucoup d'interactions. Il est pratiquement impossible pour un système informatique de représenter précisément toutes ces dépendances. Les systèmes de contraintes conçus pour traiter de problèmes musicaux se concentrent alors sur des dimensions en particulier. Parmi ces problèmes, on retrouve la génération de mélodie qui concerne donc les hauteurs et les durées des notes d'une ligne mélodique accompagnée par une suite d'accords. La modélisation d'un tel problème se concentre sur une séquence de notes et ne présente donc aucun élément de polyphonie ou d'instrumentation par exemple, ce qui simplifie la situation. L'objectif de ce projet est de concevoir un système de génération automatique de mélodie selon une suite d'accords donnée qui utilise les informations d'un corpus pour guider la composition. Deux des principaux défis de ce type de problème sont l'organisation des variables et le contrôle de la structure globale de la mélodie générée. Pour relever le premier, nous avons émis l'hypothèse qu'un système structuré hiérarchiquement offrait le plus de flexibilité et permettrait donc d'exprimer les contraintes plus facilement. En ce qui concerne la structure du résultat, nous avons mis au point un algorithme de détection de patrons répétitifs basé sur des arbres des suffixes qui permet au système de répliquer les éléments de la structure d'une mélodie existante.  ABSTRACT: Constraint programming belongs to the declarative programming paradigm which is naturally suited to tackle musical problems. Musical composition can be seen as a declarative process during which the composer works to create music respecting the general and specific rules of the chosen style and also adds his own touch. The connection between this process and resolving a constraint satisfaction problem is made instinctively. The main challenge of this field is modeling the problem because of all the different dimensions which interact together in a music piece. It is virtually impossible for a computer-based system to provide a view of the same quality a human composer would have. Thus, constraint systems designed to tackle musical problems usually focus on specific dimensions. One of these problems consists of generating a melody given a chord sequence, which only involves note durations and pitches, there is no concept of polyphony or instrumentation, for example. The goal of this project is to design and implement a system able to generate a melody given a chord sequence, using information from a corpus to guide composition. Two of the main challenges of this kind of problems are the variables arrangement and the control of the global structure of the melody. Regarding variables, we made the assumption that a hierarchical organization would improve the system's flexibility which would make it easier to express constraints. For the structure, we designed an algorithm which uses suffix trees to detect repeating patterns in existing melodies and made the system able to replicate them in the result. Our system is made of hierarchically organized blocs. The melody is made of bars which contain chords under which are located the notes. Each block has a variable number of notes which needs to be fixed first in order to instantiate the corresponding variables. This means that the system has to work in two phases. The first one assigns a rhythm pattern to every bar, which decides both the number of notes and their durations. The second phase fixes the pitch of every note of the melody.


identifier: Tageddine, D. (2018). Conception d'un schéma adaptatif d'intégration en temps appliqué à la discrétisation par éléments finis des équations de Maxwell pour l'étude de la supraconductivité  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une nouvelle stratégie d'adaptation en temps grâce à un estimateur de l'erreur locale, basé sur la notion de variations ϵ-voisines, est présentée. Une démonstration originale du lien entre cet estimateur et l'erreur locale est donnée. Une étude de la consistance, de l'efficacité et de la robustesse de la stratégie d'adaptation est menée sur un ensemble de problèmes raides standards. L'estimateur d'erreur est ensuite utilisé sur une quantité d'intérêt. Une démonstration de la consistance de l'algorithme de sélection de pas de temps qui en résulte est exposée. Une nouvelle méthode d'adaptation en quantité d'intérêt pour des schémas de différences finies est alors présentée. L'ensemble des stratégies d'adaptation développées est ensuite appliqué sur les discrétisations des équations de supraconductivité à haute température. La quantité d'intérêt est alors la perte de courant par effet Joule. Les résultats obtenus sont comparés avec des simulations obtenues avec une discrétisation à pas constants fins.  ABSTRACT: A novel time step selection method based on an error estimate of the local error is given. The proposed error estimate is based on the concept of ϵ-neighbour variations. An original proof leading to a link between the error estimate and the local error is presented. Numerical results support the analysis and explore the consistancy, the robustness and the efficiency of the approach. A novel approach based on a so called quantity of interest is then introduced. A proof of the consistancy of a time step selection algorithm is given leading to a new method of time steps control for finite difference schemes. Finally, the proposed method is applied to solve Maxwell's equations for high-temperature superconductor materials. The quantity of interest in this context is the so called AC loss.


identifier: Côté-Massicotte, J. (2018). Affinement de modèles substituts en optimisation de boîtes noires et en optimisation sans dérivées  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire se situe dans un contexte d'optimisation sans dérivées, et plus particulièrement dans un contexte d'optimisation de boîtes noires, où la fonction à minimiser et les fonctions relatives aux contraintes sont de type boîte noire. Celles-ci sont potentiellement bruitées, non différentiables, coûteuses en temps de calcul et leurs dérivées sont inaccessibles, inestimables ou inexistantes. Diverses méthodes permettent de résoudre des problèmes d'optimisation de boîtes noires, dont l'algorithme de recherche par treillis adaptatifs (Mads) qui ne dirige la recherche d'optimums qu'avec les valeurs des fonctions aux points explorés. Cet algorithme itératif sépare sa recherche en deux étapes : une recherche globale qui explore l'espace des solutions et une recherche locale qui sonde autour de la meilleure solution visitée. Afin d'éviter d'évaluer inutilement la boîte noire, la recherche de Mads peut être guidée par des modèles du problème original qu'on nomme substituts. Ces modèles, moins lourds en temps de calcul, sont classés en deux catégories : les modèles statiques et les modèles dynamiques. Un modèle statique est une simplification de la boîte noire qui ne varie pas, tandis qu'un modèle dynamique est une approximation du problème mis à jour tout au long du déploiement de l'algorithme. Toutefois, les travaux précédents employant Mads n'exploitent pas simultanément les deux types de modèles. Ce travail introduit un nouveau modèle substitut, le modèle hybride quadratique (MHQ), qui s'avère être un modèle dynamique quadratique qui corrige l'information du modèle statique. Au lieu d'apporter une correction additive ou multiplicative, le MHQ vient généraliser ces deux types de correction en considérant le modèle statique comme une variable du modèle quadratique. Ce nouveau modèle est accompagné d'une base théorique solide en plus d'une analyse de convergence basée sur le calcul des fonctions non lisses. Mads exploite les valeurs fournies par le MHQ afin d'ordonner les points candidats de la recherche locale du plus prometteur au moins prometteur. Les fonctions de la boîte noire sont par la suite évaluées aux points ordonnés avec une stratégie opportuniste. Cette approche permet généralement de réduire le nombre d'évaluations de la boîte noire afin d'atteindre la convergence. Les tests numériques sont effectués sur trois problèmes analytiques et trois problèmes d'ingénierie sous forme de simulations. Les résultats obtenus montrent que l'apport du MHQ à l'algorithme Mads est de permettre une résolution des problèmes avec une plus grande précision. Le MHQ bénéficie donc du caractère global du modèle statique ainsi que de l'aspect local associé au modèle quadratique. Toutefois, l'approche par le MHQ possède des limitations, puisque son temps d'exécution est corrélé au nombre de contraintes du problème.  ABSTRACT: The present work is in a context of derivative-free optimization, and more particularly in a context of blackbox optimization, where the function to be minimized and the functions related to the constraints are blackboxes. Those are potentially noisy, non-differentiable and computationally expensive. Furthermore, their derivatives are inaccessible or non-existent and they cannot be approximated. Various methods can be used to solve blackbox optimization problems, such as the Mesh Adaptive Direct Search (Mads) algorithm that directs the search only by using the values of the functions at the explored points. This iterative algorithm separates the search into two steps : a global search that explores the solution space and a local poll that explores near the best visited solution. In order to avoid unnecessary blackbox evaluations, the Mads steps can be guided by models of the original problem called surrogates. These models, which are less time-consuming, are classified in two categories : static models and dynamic models. A static model is a simplification of the blackbox that does not vary, while a dynamic model is an approximation of the problem updated throughout the deployment of the algorithm. However, previous work using Mads do not simultaneously exploit both models. This work introduces a new surrogate, the quadratic hybrid model (MHQ), a quadratic dynamic model that corrects information from the static model. Instead of bringing an additive or multiplicative correction, the MHQ generalizes these two types of correction by considering the static model as a variable of the quadratic model. This new model is accompanied by a solid theoretical basis in addition to a convergence analysis based on non-smooth calculus. Mads uses the values provided by the MHQ to order the candidate points of the local search from the most to the least promising. The blackbox functions are then evaluated at the ordered points with an opportunistic strategy. This approach generally reduces the number of blackbox evaluations to achieve convergence. The numerical tests are performed on three analytical problems and three simulation-based engineering problems. The obtained results show that the contribution of the MHQ to the Mads algorithm is to solve problems with a greater precision. The MHQ thus benefits from the global feature of the static model as well as from the local aspect of the quadratic model. However, the MHQ approach has limitations, since its execution time is correlated with the number of problem constraints.


identifier: Morin, G. (2018). Réduction de bruit dans les signaux numériques via une analyse statistique locale et une estimation globale  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: On encode aujourd'hui une grande quantité d'information de manière numérique. On appelle signal numérique une séquence ordonnée de valeurs discrètes représentant le plupart du temps un échantillonnage d'un signal naturel, un son ou une image par exemple. Il est fréquent que ces signaux soient dégradés par de l'information parasite qu'on appelle du bruit. Ce bruit provient généralement de l'incertitude intrinsèque aux appareils récoltant les données, par exemple un appareil photo ou un enregistreur audio, d'erreurs commises lors de la compression, la transmission ou la réception des signaux ou encore d'interférences naturelles lors de la prise des données. On a alors parfois recours à des algorithmes de débruitage de signaux numériques afin de réduire ce bruit dans les signaux. Une des difficultés pour les algorithmes de débruitage est de réduire le bruit numérique sans toutefois altérer le signal d'origine. On présentera dans ce mémoire un algorithme de débruitage de signaux numériques ayant pour objectif de réduire le bruit dans les signaux tout en limitant la perte de l'information présente dans le signal d'origine. Pour atteindre cet objectif, notre algorithme procèdera en premier lieu à une analyse statistique locale du signal bruité. Au moyen de tests statistiques simples, on construira lors de cette étape un modèle du signal contenant de l'information relative à ses caractéristiques locales. Par exemple, on voudra déterminer les endroits où le signal est lisse et les endroits où il est discontinu. Une fois l'information relative aux caractéristiques locales du signal stockée, ou utilisera celle-ci afin de définir un problème d'optimisation défini sur tout le signal. C'est la solution à ce problème d'optimisation qui constituera l'estimé du signal de notre algorithme. L'approche de débruitage proposée se distingue par l'analyse du signal bruité faite avant d'entamer la procédure d'estimation, afin de diriger cette dernière. Deux hypothèses seront faites sur les signaux à débruiter pour le développement de notre algorithme. On fera premièrement l'hypothèse que les signaux non bruités sont des signaux lisses par morceaux. De plus, on fera l'hypothèse que ces signaux lisses par morceaux sont dégradés par un bruit additif gaussien de moyenne nulle et de variance σ² connue. Suite à la présentation de l'algorithme de débruitage, on comparera les résultats de celui-ci avec d'autres méthodes de débruitage. Dans certains cas, on pourra montrer que notre algorithme obtient des résultats compétitifs avec des méthodes classiques de débruitage de la ittérature.  ABSTRACT: Information is nowadays frequently encoded digitally. A digital signal is an ordered sequence of discrete values that represent most of the time a sampled natural signal such as a sound or an image. These signals rarely come clean. Indeed, they are often degraded by what we call noise. This noise usually comes from errors made by the devices that collect data, such as cameras or audio recorders, or errors made in the compression, transmission or reception of the signals. Also, interfering natural phenomena can degrade the signals of interest. It can be necessary to use denoising algorithms to reduce this noise in the digital signals. One of the challenges of the denoising algorithms is to attenuate noise in a noisy signal without altering the original signal. We introduce in this work a denoising algorithm that aim at both reduce noise and limit the loss of relevant information in the original signal. To do so, our algorithm will first perform a local statistical analysis of the noisy signal. This analysis will allow the construction of a model of the pure signal that contains information about its local features, for instance its smooth parts and its discontinuous parts. Once this model is constructed, we define an optimization problem that takes into account information about all the local features extracted during the statistical analysis. The solution of this optimization problem will be our signal estimate. The originality of this approach lies in the statistical analysis that we make on the noisy signal before launching the estimation process, in order to lead this process. We make two hypotheses in this work on the signals to be denoised. We first make the hypothesis that pure signals are piecewise smooth. Also, we consider that these piecewise smooth signals are degraded by a gaussian additive noise that has a zero mean and a known variance σ². After the presentation of our denoising algorithm, we compare its results with other denoising techniques in the literature. In some cases, we will show that our algorithm is competitive with well known denoising algorithms.


identifier: Corbeil, J.-P. (2018). Forage de données pour la détection d'un état de blocage de l'apprenant dans le cadre du système tutoriel intelligent QED-Tutrix  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'état de blocage est le moment où un apprenant, en pleine résolution de problème sur un système tutoriel intelligent, a besoin d'une intervention tutorielle pour poursuivre sa résolution. Dans ce mémoire, des modèles probabilistes seront développés pour détecter les états de blocage d'un apprenant qui résout un problème sur le système tutoriel intelligent en mathématiques QED-Tutrix. La méthodologie inclut deux expérimentations avec une version modifiée de QED-Tutrix pour recueillir des séquences d'actions associées à un état de blocage ou de non-blocage. Dans ces ensembles de données, des états de blocage ont été observés à partir des fréquences d'actions et des distributions de sous-séquences. Quatre modèles probabilistes ont été développés en tout : le modèle de processus de fréquence d'actions, le modèle bayésien en sous-séquences d'actions, le modèle du réseau de neurones convolutif et le modèle hybride. Ce dernier surpasse les autres avec un score F1 de 80,4 % pour la classification des états de blocage sur l'ensemble d'entraînement et 77,3 % sur l'ensemble test. L'application de cette recherche mène directement à l'amélioration de la machine à états de QED-Tutrix dans son interaction avec l'apprenant. Elle aboutit aussi sur une deuxième phase de travaux de recherche durant laquelle le développement d'interventions tutorielles ciblées est approché. Puisqu'il est possible d'identifier les moments de blocage de l'apprenant avec une bonne précision, il faut à présent concevoir des algorithmes pouvant comprendre le contexte du blocage et pouvant intervenir en conséquence. En ce qui concerne l'amélioration des performances des modèles, l'incorporation de l'historique des blocages dans les modèles probabilistes est à considérer en plus d'une considération du contexte mathématique.  ABSTRACT: A blocking state is a cognitive state in which a student cannot make any progress toward finding a solution to a problem. In this research, we present the development of probabilistic models to detect a blocking state while solving a Canadian high school-level problem in Euclidean geometry on an intelligent tutoring system. Our methodology includes an experimentation with a modified version of QED-Tutrix, an intelligent tutoring system, which was used to gather labelled datasets composed of sequences of mouse and keyboard actions. We observed blocking states in this dataset from subsequence distributions and frequency of states. Using a probabilistic framework, we developed four predicting models: an actionfrequency model, a subsequence-detection model, a 1D convolutional neural network model and an hybrid model. The hybrid model outperforms the others with a F1 score of 80.4 % on classification of blocking state on training set. It performs 77.3 % on test set. The applications of this research lead to an upgrade of QED-Tutrix internal finite-state machine for its interactions with the learner. Also, this research opens a second research stage, in which targeted tutorial interventions in QED-Tutrix can be developed. This can be achieved with an algorithm that understands the context of intervention and that is able to help precisely the learner. In order to get better performances from the current models, the history of the previous blocking states needs to be incorporated. Moreover, the mathematical concepts used by the learner can be integrated.


identifier: Lepetit-Aimon, G. (2018). Architecture complètement convolutive à champ d'activation large pour la segmentation sémantique de la vasculature rétinienne dans les images de fond d'oeil  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'imagerie de fond d'oeil permet l'observation non-intrusive des structures anatomiques de la rétine. Ces images sont singulièrement très informatives pour évaluer le risque d'apparition de pathologies oculaires, cardiovasculaires ou cérébrovasculaire, dont le dépistage et le traitement préventif sont des défis majeurs de la médecine contemporaine. Plus particulièrement, les anomalies de la micro-vasculature rétienne sont des symptômes connus pour présager de ces maladies. L'extraction automatique et fiable de cette vasculature est donc une étape importante vers la conception d'un algorithme de diagnostique automatique convoité par les cliniciens. L'extraction de la vasculature rétinienne nécessite l'exécution de deux opérations : d'une part la segmentation des vaisseaux de la rétine, et d'autre part leur classification entre artérioles et veinules. La revue de littérature sur ces deux tâches révèle que les réseaux de neurones convolutifs sont très souvent utilisés pour effectuer la segmentation des vaisseaux, mais presque toujours absents des méthodes de classification vasculaire. En effet, les méthodes de classification les plus performantes appliquent toutes le même protocole : grâce aux outils de la théorie des graphes, elles reconstruisent l'arbre vasculaire rétinien à partir de sa carte de segmentation. Ensuite, un classificateur rudimentaire établi une première labellisation artère/veine pour chaque pixel appartenant à vaisseau. Enfin, ces labels sont moyennés, corrigés et propagés à travers le graphe de l'arbre vasculaire afin que chacun de ses segments soit étiqueté. Ce protocole imite en fait la démarche des cliniciens lorsqu'ils annotent les images de fond d'oeil. En effet, mis-à-part les plus gros vaisseaux, il est souvent difficile, voire impossible, de distinguer une artériole d'une veinule simplement par son apparence. Par conséquent, les cliniciens annotent d'abord les vaisseaux larges émergeant du disque optique en fonction de leur couleur (les veinules sont plus foncées que les artérioles) puis suivent ces vaisseaux à travers les bifurcations et les croisements en propageant les labels vers les terminaisons vasculaires. Pour résoudre les bifurcations et les croisements, les méthodes de classifications vasculaires automatiques reposent en général sur des connaissances a priori de l'anatomie des vaisseaux rétiniens formulées sous forme de règles topologiques. Cependant, ces règles ne peuvent pas tenir compte des anomalies de la vasculature rétinienne, puisque ces dernières en sont précisément les exceptions. Ainsi, parce qu'elles sont particulièrement peu robustes aux anomalies de la vasculature rétinienne, ces méthodes sont mal adaptées pour l'analyse d'image de rétines pathologiques.  ABSTRACT: Retinal fundus imaging allows the non-invasive observation of the retinal  natomical structure. Fundus images and more specifically the study of retinal micro-vasculature anomaly, are known to be informative when estimating risks of retinopathy, cardiovascular and cerebrovascular pathologies. Early diagnosis of those pathologies is the key to reducing their mortality rates and is a challenge of modern medicine (cardiovascular diseases is the second cause of deaths in Canada). Thus, an automatic and reliable extraction of the retinal vasculature tree is a key step towards the conception of automatic screening algorithms wished by clinicians. Extraction of the retinal vasculature tree consist in two tasks: the segmentation of the vessels and their classification between arteries and veins. Deep neural network are often used for the segmentation task but are almost never used for the classification task. Indeed, for this second task, algorithms usually make an extensive usage of the graph theory to reconstruct the retinal vascular tree from the segmentation map. A simple classifier is then used to compute arteries and veins labels which are averaged, corrected, and propagated along the vascular graph. Actually, this method attempt to mimic clinicians behaviour. Because small arteries and veins are not distinguishable by local features, clinicians start by labelling larger vessels (veins are always darker than arteries) and then propagates those labels towards the vascular endings by following each vessels through its bifurcations and crossing. In order to solve those bifurcations and crossing, automatic vascular classifications usually relies on prior anatomical and structural knowledge of the retinal vasculature which are transcribed into topological rules. However they can't take into account vascular anomalies because they are the exceptions of those rules. Thus, because the are not reliable to vascular anomalies, those methods are not well fitted to perform the retinal vasculature extraction with a view to diagnose cardiovascular or cerebrovascular pathologies.


identifier: Dahito, M.-A. (2018). La méthode des résidus conjugués pour calculer les directions en optimisation continue  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La méthode du gradient conjugué (CG) est une méthode proposée par Hestenes et Stiefel afin de résoudre des systèmes linéaires symétriques et définis positifs. En optimisation non linéaire sans contraintes, on y recourt de manière quasi-systématique pour le calcul des directions. Lorsque la matrice du système n'est pas définie positive, la variante en recherche linéaire proposée par Dembo et Steihaug, et celle de Steihaug en régions de confiance, permettent tout de même d'utiliser CG. La méthode des résidus conjugués (CR) est également proposée par Hestenes et Stiefel pour les cas où la matrice est définie positive. Elle partage avec CG la décroissance monotone du modèle quadratique, ce qui en fait un bon candidat pour les méthodes de région de confiance. De plus, les résidus dans CR décroissent de manière monotone, ce qui est intéressant, en particulier pour les méthodes de type Newton inexact, souvent utilisées en recherche linéaire. Dans cet ouvrage, nous proposons des variantes de CR pour les cas où la matrice n'est pas définie positive et étudions la performance de ces modifications dans des contextes de recherche linéaire et de région de confiance. Pour ce faire, nous comparons la performance de nos algorithmes aux variantes de CG correspondantes. Nous nous intéressons également à CRLS qui est l'équivalent de CR pour les moindres carrés linéaires, et suggérons une modification de cette méthode pour traiter le cas de la courbure nulle. Nos résultats montrent que CR est essentiellement équivalente à CG, et parfois meilleur, notamment pour résoudre les problèmes non convexes. CR présente aussi un léger avantage dans la résolution de problèmes convexes en recherche linéaire. Cette méthode permet souvent d'effectuer moins de produits hessien-vecteur que CG. La résolution des problèmes aux moindres carrés non linéaires montre une équivalence en termes de performance entre LSMR et LSQR qui sont les variantes, construites à partir du processus de Lanczos, de CRLS et CGLS pour résoudre l'équation normale. LSMR montre néanmoins un léger avantage en termes d'évaluation du résidu.  ABSTRACT: The conjugate gradient method (CG) is a proven method for computing directions in unconstrained nonlinear optimization. This method, described by Hestenes and Stiefel, solves symmetric positive-definite linear systems. If the operator is not positive definite, the extension proposed by Dembo and Steihaug for linesearch and that of Steihaug for trust regions, make CG suitable again. The conjugate residual method (CR) was also proposed by Hestenes and Stiefel for positivedefinite operators. Like CG, CR makes the quadratic model decrease monotonically, which makes it relevant in a trust-region context. But CR also makes the residual decrease monotonically, a particularly interesting property for inexact Newton methods, often used in a linesearch context. In linesearch and trust-region contexts, we propose modifications of CR when the operator is not positive definite, and compare their performance with those of the corresponding extensions of CG. Our tests show that CR is, for the most part, equivalent to CG. It performs better than CG on nonconvex problems, and slightly better on convex problems in a linesearch context. The advantage is often in terms of operator-vector products. Finally, we consider the CRLS variant of CR for linear least-squares and investigate the case of zero curvature. We perform experiments with LSMR and LSQR, which are the versions of CRLS and CGLS built from the Lanczos process, to solve the normal equation. This reveals that LSMR performs as well as LSQR and enables slight savings in terms of residual evaluations.


identifier: Chen Kuang Piao, Y. (2018). Nouvelle architecture pour les environnements de développement intégré et traçage de logiciel  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La conception et le développement de logiciels requièrent souvent l'utilisation d'un Environnement de Développement Intégré (EDI) pour assister et faciliter le travail des développeurs. Les EDI offrent, à travers une interface graphique, des outils pour l'édition, la compilation et le débogage du code. Cependant, lorsque ces outils ne sont pas adaptés et suffisants pour la détection de défauts de performance sur des logiciels complexes, comme les systèmes distribués, les développeurs se tournent vers des techniques de traçage. Des logiciels appelés traceurs récoltent des informations précises pendant l'exécution du système instrumenté, et les regroupent dans une trace. Une trace peut contenir une quantité importante de données. Des outils spécialisés ont été développés afin d'en automatiser le processus d'analyse et de visualisation. Au fur et à mesure qu'un logiciel grandit et se complexifie, l'utilisation de ces outils d'analyse et de visualisation devient tout aussi importante qu'un débogueur. Néanmoins, ces outils sont complexes, autonomes et difficilement réutilisables dans d'autres systèmes. De plus, ils ne supportent pas les mêmes analyses, les mêmes formats de trace, ni les mêmes cas d'utilisation, ce qui implique que le développeur ait besoin d'installer plusieurs outils pour arriver à ses fins. Dans le cadre de ce projet, nous cherchons donc à résoudre ces problèmes et à intégrer l'analyse et la visualisation de trace non seulement dans les EDI, mais dans tout autre système qui pourrait en bénéficier, tels que les serveurs d'intégration continue ou encore les systèmes de monitorage. Par conséquent, nous proposons une nouvelle architecture logicielle flexible basée sur une approche client-serveur, d'architecture orientée service et multicouche. Notre travail s'étend à l'implémentation de l'architecture du serveur au sein du projet Trace Compass et l'implémentation de l'architecture du client au sein d'un nouveau projet appelé TraceScape. Toutes nos contributions sont disponibles à code source ouvert. Des tests de performance ont été menés afin d'évaluer le surcoût associé à la nouvelle architecture par rapport à la précédente approche, et les résultats indiquent un surcoût acceptable.  ABSTRACT: Creating software often requires using an Integrated Development Environment (IDE) to help and facilitate the development work. With a simplified user interface, IDEs provide many useful tools such as a code editor, a compiler, and a debugger. Nonetheless, when those tools are not enough to detect performance defects in a large, complex and multithreaded system, developers use tracing techniques. A program called tracer collects accurate information during the execution of an instrumented system. A trace could contain a lot of data, and specialized tools have been developed to analyze traces automatically and show the results in interactive views. As the software grows and becomes more complex, using trace visualization tools must be part of the developer tool environment, like the debugger in the software development process. However, trace visualization tools are sophisticated, standalone and hardly reusable in other systems such as an IDE. Moreover, they have their specific trace format support, specific use cases, and specific trace analyses. Most of the time, developers need to install and use several such tools to fulfill their needs. In this research project, we aim to solve those problems and integrate trace analysis and visualization in tools such as IDEs, monitoring systems or continuous integration systems. Thus, we propose a flexible software architecture based on client-server, service-oriented architecture and layered approaches. We implemented the server architecture in the Trace Compass project and the client architecture in a new project called TraceScape. All of our contributions are available online in open source repositories. We also evaluated our proposed architecture through benchmarks, and the results show that our approach has an acceptable overhead compared to the standalone approach.


identifier: Bresteau, C. (2018). Sur la sécurité des communications aériennes par liaison de données  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis les jours lointains où les contrôleurs aériens comme Archie League utilisaient des drapeaux pour diriger les appareils en vol, de nombreux progrès technologiques ont permis d'améliorer l'efficacité et la fiabilité des opérations de contrôle. Le transport aérien est dorénavant un mode de locomotion parmi les plus sécuritaires. Au sein des nouveaux systèmes de communication, on peut relever les liaisons de données, également appelées Datalink, qui permettent aux pilotes, aux contrôleurs ainsi qu'aux compagnies aériennes d'échanger directement des données via les ondes radio. Les nombreux avantages que présentent ces systèmes sur les communications vocales classiques ont rendu leur adoption extrêmement rapide et ils sont maintenant obligatoires sur la plupart des routes aériennes. Si l'automatisation toujours plus élevée des systèmes aéronautiques permet d'optimiser l'utilisation des espaces aérien, elle présente certains inconvénients. Les performances supplémentaires induites par ces nouveaux systèmes sont malheureusement parfois obtenues aux dépens d'une surface d'attaque accrue. Les composantes avioniques numériques des avions de ligne sont maintenant sensibles à de potentielles cyberattaques, car elles sont intégrées dans un écosystème informatisé complexe. Ce risque est renforcé par la démocratisation récente des radios logicielles (SDR) ainsi que des outils de développement associés. Ces radios logicielles permettent à un nombre accru de potentiels pirates d'intercepter et d'émettre des faux paquets de liaison de données tout en se faisant passer pour des acteurs légitimes. Ceci risque de causer de sérieuses dégradations potentielles des services aériens. Un nombre important de pirates pourrait maintenant se procurer à un prix très faible le matériel nécessaire pour communiquer et interagir avec les systèmes embarqués. Les protocoles les plus vulnérables aux attaques de spoofing sont les plus anciens comme ACARS et CPDLC. En effet, ils ont été développés entre les années 1980 et 1990, sans aucune considération sur la cybersécurité et ne permettent pas le recourt à des méthodes de protection cryptographiques. Ces protocoles sont néanmoins encore très extensivement utilisés et offrent des cibles de choix pour les potentiels pirates.  ABSTRACT: The days when Archie League used flags to communicate with pilots are long gone. Modern communications protocol such as Datalink are now vital to air traffic control (ATC) operations. Thank to these new technologies which allow direct exchanges between embedded avionics components and control towers, air travel is now one of the safest modes of transportation. Various protocols known as Datalink communications are now widely used by pilots, companies and controlers to share data directly over radio waves. Because they offer numerous advantages over classical voice communications, their adoption was fast and they are now mandatory on most of the controlled airspaces. This extensive use of automated protocols has increased the attack surface of aviation towards deliberate cyberattacks that target the Datalink communication systems and the avionics. This potential threat is aggravated by the fast development and spreading of Software Defined Radios (SDR) and associated frameworks. Hackers are now able to listen and emit spoofed Datalink traffic that appear to come from ATC or from airborne aircraft, which may seriously interfere with aircraft and air traffic control operations. SDR technology is available at a very low cost and has a low barrier of entry in terms of technical knowledge. This would allow a vast number of motivated attackers to mount such attacks with relatively little risk of getting caught. The first Datalink protocols originally deployed between 1980 and 1990 such as the Aircraft Communication Addressing and Reporting System (ACARS) and Controller Pilot Datalink Communication (CPDLC) are particularly vulnerable to spoofing attacks. Indeed, cybersecurity was not considered when they were designed. They do not incorporate any cryptographic protection of their integrity, authentication or condifentiality. Yet, they are still mandatory on most routes and now offer a prime target for hackers.


identifier: Deschaintres, E. (2018). Analyse de la variabilité individuelle d'utilisation du transport en commun à l'aide de données de cartes à puce  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'achalandage des réseaux de transport en commun varie en fonction de nombreux paramètres. Des facteurs exogènes tels que la météo sont souvent rapportés dans la littérature mais il existe aussi des facteurs individuels : en effet, chaque usager a une utilisation temporelle et spatiale du transport en commun qui lui est propre. D'une part, des différences sont visibles entre les individus. Cette variabilité interpersonnelle est particulièrement prononcée dans les réseaux qui desservent un grand nombre de personnes du fait de la grande hétérogénéité des comportements observés.  ABSTRACT: Transit ridership varies according to many parameters. Exogenous factors such as weather are often reported in the literature, but there are also individual factors, as every user has a specific temporal and spatial use of the transit system. On the one hand, differences can be found between individuals. This interpersonal variability is particularly pronounced in networks which serve a lot of people because of the great heterogeneity of observed behaviors. On the other hand, intrapersonal variations are noticeable within the behavior of each individual, more or less in a short-term scope, depending on the evolution of the individual's restrictions and preferences.


identifier: Marchand, A. (2018). Optimisation de la planification court-terme d'un système de production hydroélectrique de grande taille  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La planification de la production hydroélectrique vise à optimiser l'utilisation future d'un ensemble de centrales, afin de maximiser son efficacité tout en satisfaisant la charge électrique et de très nombreuses contraintes opérationnelles. A court terme, l'horizon étudié est typiquement de 7 à 15 jours au pas de temps horaire. Les décisions concernent l'état de fonctionnement de chaque groupe turbine-alternateur dans les centrales, les débits turbinés par les groupes en fonctionnement et les débits déversés par les ouvrages d'évacuation. Les contraintes opérationnelles se rapportent notamment à la sécurité des équipements et des personnes, à la fiabilité du système de production en énergie, en puissance et en transport, aux maintenances des équipements, aux transactions sur le marché de l'énergie et aux accords touristiques et environnementaux. Ces contraintes proviennent de très nombreux agents avec des objectifs parfois contradictoires. Ce problème est complexe à résoudre, car il est combinatoire et de très grande taille. De plus, les vallées hydrauliques lient les décisions dans le temps et dans l'espace. Il existe de très nombreuses méthodes de résolution pour ce problème, mais aucune ne permet de résoudre des problèmes réels de grande taille dans des temps opérationnels. L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes de résolution rapides et précises pour des systèmes de production de grande taille, comme celui d'Hydro-Québec. Afin de répondre à cet objectif, nous proposons trois modèles et méthodes de résolution qui exploitent la structure du problème de planification court-terme dans chacun de ses contextes d'utilisation. La première méthode de résolution est dédiée aux analyses d'impact, qui permettent aux planificateurs d'évaluer le coût d'une décision de gestion. Les décisions évaluées sont par exemple des retraits d'équipement pour maintenance. La méthode de résolution doit fournir des solutions quasi optimales, ainsi qu'une mesure de la distance à la solution optimale. Nous avons donc développé un modèle de programmation linéaire en nombres entiers (PLNE) ainsi qu'une méthode de décomposition qui tire parti du petit nombre de contraintes liantes entre les vallées hydrauliques. Le système de production est partitionné en sous-systèmes géographiques, sans restriction sur la partition. La méthode de résolution est basée sur la relaxation lagrangienne et se déroule en trois phases. Tout d'abord, la relaxation linéaire est résolue, afin d'estimer la valeur duale des contraintes liant les sous-systèmes. Ensuite, les sousproblèmes de planification associés aux sous-systèmes sont résolus en conservant les variables entières. Enfin, le problème global est résolu en fixant les variables entières avec les résultats obtenus dans la résolution des sous-problèmes. De plus, la valeur de la relaxation linéair permet de calculer une borne sur l'écart à la solution optimale. Les résultats numériques montrent que notre méthode fournit des solutions extrêmement proches de l'optimum dans des temps opérationnels. La deuxième méthode vise à ajuster rapidement un plan de production suite à une perturbation dans les intrants. L'objectif est ici de permettre aux planificateurs de valider rapidement la faisabilité du plan de production moyen-terme en considérant toutes les contraintes opérationnelles. Nous proposons un modèle mathématique précis et une méthode de résolution basée sur la recherche tabou. Afin de rendre la recherche efficace, nous avons développé de nouveaux voisinages larges qui exploitent les écarts entre l'offre et la demande, ainsi que la configuration des centrales dans les vallées. De plus, nous avons décomposé l'horizon par journée pour paralléliser la recherche tabou. Ce parallélisme permet de gérer de longs horizons, ce qui est essentiel pour attacher la planification court-terme aux décisions prises à moyen terme. Nous avons comparé notre méthode à un modèle de PLNE résolu avec un solveur générique. Même avec la solution initiale la plus naïve, notre recherche tabou parvient à des solutions proches de l'optimum dans des temps opérationnels, et jusqu'à 235 fois plus vite qu'un solveur générique. La troisième méthode considère le processus opérationnel de planification court-terme à Hydro-Québec, qui a pour but de fournir des consignes de production aux répartiteurs. Afin de gérer l'incertitude sur les intrants, les planificateurs fournissent des règles de gestion plutôt qu'un plan de production. Nous avons donc développé une nouvelle forme de règles de gestion, adaptée aux vallées hydrauliques complexes et aux réservoirs très contraints. Ces règles sont évaluées sur un arbre de scénarios, représentant l'incertitude sur les apports en eau et la charge électrique. Nous avons optimisé l'ordre d'engagement des centrales défini dans ces règles à l'aide d'une recherche tabou. De plus, nous avons étudié la nécessité de prendre en compte cette incertitude dans l'optimisation. Les résultats numériques montrent que l'optimisation stochastique permet de réduire significativement la valeur objectif de la solution. Afin de répondre aux contraintes de temps opérationnelles, nous proposons une optimisation hybride : déterministe durant les premières itérations de la recherche tabou, puis stochastique. Cette méthode hybride permet d'améliorer la valeur objective moyenne de 10% lorsque les apports prévus sont moyens ou élevés.  ABSTRACT: Hydropower production planning aims at determining the future use of a set of hydro plants to maximize their efficiency, while satisfying the electrical load and a large number of operational constraints. At short-term, the horizon ranges from 7 to 15 days with hourly time steps. Decisions concern the operating status of each generating unit in hydro plants, the turbined flow in the functioning units, and the spilled flow in spillways. Operational constraints involve for instance safety of equipment and people, reliability of the production system, regulations on environment and tourism, equipment maintenance and transactions in the energy market. All these constraints are requests from many stakeholders with sometimes contradictory objectives. The short-term hydropower production planning is hard to solve, because it is of large scale and combinatorial. Moreover, hydro-valleys link decision variables both in time and space. One can find many solution approaches in the literature, but they are not adapted to realworld large-scale production systems. The purpose of this thesis is to develop fast and accurate solution approaches for large-scale hydropower production systems, in particular Hydro-Québec's. We propose two new models and three new solution methods, which exploit the problem structure in each context of use. The first approach is dedicated to impact analysis. Planners make this type of analysis to evaluate the cost of a given decision, for example the some equipment outage for maintenance. Therefore, the solution approach must provide near-optimal solutions and a measure of the gap to the optimum. We developed a new mixed-integer linear problem (MILP) and a new solution method. Our three-phase method approach exploits the small number of constraints between hydro valleys and is based on lagrangian decomposition. First, we solve the linear relaxation of the problem to estimate the dual value of the linking constraints. Then, the production system is partitioned into subsystems and the associated MILP subproblems are solved. Finally, the initial planning problem is solved with the commitment decisions fixed as in the subproblems solutions. Numerical experiments show that our solution approach leads to near-optimal solutions within operational computation time. The second approach aims at quickly adjusting a given production planning after some perturbation in the data. Short-term planners will then be able to quickly validate the feasibility of the medium-term planning decisions while considering all operational constraints. We developed a new non-restrictive mathematical model and a solution method based on tabu search. To find good solutions quickly, we proposed new neighborhoods which consider the current solution flexibility to satisfy the total load and reservoir volume bounds. Moreover, tabu search is performed in parallel for each day of the horizon. Hence, our approach can handle a long horizon. We compared our method with a classical MILP approach. Even with the most naive initial solution, our tabu search obtain solutions close to the optimum within operational time. The third approach concerns the operational planning process from the short term to real time at Hydro-Québec. Short-term planners must provide daily instructions to real-time operators. To tackle uncertainty, planners provide operating rules instead of production schedules. We developed a new form of operating rules specially designed to handle large hydropower production systems with complex hydro-valleys and tightly bounded reservoirs. These rules are evaluated on a scenario tree, representing uncertain water inflows and electrical load, and optimized in a tabu search framework. We also evaluated the value of stochastic optimization for operating rules. Numerical results show that stochastic optimization has a significant value on scenarios with moderate or high inflows. However, it must be coupled with deterministic optimization to obtain good solutions when computational time is limited.


identifier: Ben Cheikh, S. (2018). Conception de la chaîne logistique des bioraffineries forestières intégrées et vertes  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie forestière canadienne est un puissant moteur qui contribue au développement économique et social du pays. Cependant, depuis quelques années, cette industrie et principalement celle des pâtes et papiers (P&P) opère dans un contexte économique difficile qui est dû entre autres à la faible demande pour les produits papetiers de base, à la concurrence étrangère et la diminution du dollar canadien par rapport au dollar américain. Identifier de nouvelles gammes de produits pour enrichir celle existante semble être une solution intéressante pour l'industrie canadienne de P&P afin de surmonter cette crise et de demeurer compétitive. D'autre part, plusieurs milliards de tonnes de combustibles fossiles sont consommées annuellement dans le monde. L'utilisation de ces sources d'énergie est la cause principale de plusieurs problèmes environnementaux notamment les pluies acides et l'augmentation de la concentration du dioxyde de carbone dans l'atmosphère [1, 2].  D'autres facteurs tels que la hausse des prix de ces réserves d'énergies et l'incertitude quant à leur disponibilité à long terme ont encouragé le développement des produits renouvelables.  La conversion de la biomasse en bioproduits à valeur ajoutée et à faible empreinte de carbone dans un contexte de bioraffinerie forestière intégrée et verte (BRFIV) semble être une solution prometteuse pour remédier à l'ensemble des problèmes cités.  Le concept de la BRFIV peut être défini comme un complexe industriel intégré, composé d'une usine de P&P et d'une unité de bioraffinage. Cette dernière est capable de transformer la biomasse lignocellulosique en une grande variété de produits, générant ainsi des profits pour l'ensemble de la BRFIV et éliminant l'utilisation de l'énergie fossile. Plusieurs procédés de conversion biochimiques et thermochimiques peuvent être implantés dans l'unité de bioraffinage forestier à savoir la fermentation, la pyrolyse ou la gazéification. Bien que les bioraffineries biochimiques de première génération prennent de plus en plus d'ampleur, les bioraffineries de deuxième génération, notamment les bioraffineries de gazéification n'ont pas encore vu le jour.  Ceci est dû principalement au coût élevé du procédé de gazéification, sa complexité et son degré de maturité. Toutefois, cette technologie est capable d'annuler la dépendance des industries papetières aux énergies fossiles, de proposer une panoplie de bioproduits et reste flexible par rapport à la matière première utilisée. L'intégration des bioraffineries de gazéification dans des usines de pâtes et papiers canadiennes pourrait alors assurer la compétitivité de ces dernières et en même temps diminuer les impacts environnementaux associés à l'implémentation de ce complexe.   Toutefois, la configuration de la chaîne logistique des bioraffineries de gazéification intégrées n'est pas encore établie au Canada. En effet, étant donné qu'il est possible d'utiliser diverses matières premières, de générer une variété de bioproduits et d'alimenter plusieurs industries pétrochimiques, chaque maillon de la chaîne de valeur doit être défini et optimisé ainsi que la chaîne entière afin de garantir la viabilité économique et environnementale du complexe. De plus, le choix des usines de P&P canadiennes favorables pour une transformation en BRFIV doit être déterminé en tenant compte de la disponibilité de la matière première ainsi que de leurs emplacements par rapport aux industries chimiques.  L'objectif de cette thèse s'insère dans ce contexte. Il s'agit de contribuer au développement des bioraffineries forestières intégrées et vertes à travers la conception optimale de la chaîne logistique de la bioraffinerie de gazéification intégrée aux usines de P&P. En d'autres termes, il s'agit de conduire au développement d'outils d'aide à la décision intégrant des indicateurs économiques et environnementaux pour déterminer les emplacements optimaux des bioraffineries intégrées aux usines papetières, le choix de la source de biomasse et de la méthode de récupération correspondante, le choix du bioproduit à générer, les capacités optimales des unités de bioraffinage, le réseau de distribution optimal ainsi que les flux de matières échangés entre les unités de la BRFIV. Le but est de maximiser la rentabilité économique ainsi que la viabilité environnementale des BRFIV. Les critères de décision considérés sont les coûts totaux de production, les émissions de gaz à effet de serre ainsi que la consommation évitée des ressources fossiles.  L'outil d'aide à la décision est basé sur des modèles mathématiques de planification stratégique et tactique et intègre des indicateurs environnementaux calculés à partir d'analyse de cycle de vie de scenarios de chaîne logistique. Il a été appliqué à deux études de cas comparant les provinces de l'est et de l'ouest du Canada et deux types de bioraffineries de gazéification à savoir les bioraffineries de production du méthanol et du diesel Fischer-Tropsch.  Les résultats ont permis de mettre en avant les alternatives et les scenarios de chaîne logistique les plus intéressants et ceux à écarter aussi bien au niveau économique qu'au niveau environnemental. Ils ont démontrés également que le Canada a le potentiel de générer de la gazoline contenant jusqu'à 10 % en volume de méthanol produit à partir de biomasse forestière. Une teneur en carburant renouvelable de 4 %, basée sur le volume de carburant diesel pourrait être entièrement satisfaite dans l'ouest du Canada en exploitant la biomasse accessible dans un rayon de 150 km des usines de pâtes existantes.  ABSTRACT: The Canadian forest industry has been for a long time a significant contributor to the economic and social development of the country. However, during the last two decades, the forest sector, and mainly the Pulp and Paper (P&P) industry, has been operating in a challenging economic environment, due in part to the declining market demand for traditional paper products, the price competition and the Canadian dollar weakness against its American counterpart. Identifying new products to enlarge the existing platform has appeared to be a promising opportunity for the Canadian P&P industry to overcome this crisis and remain competitive. On the other hand, several billion tons of fossil fuels are consumed annually in the world. The use of these resources is the main cause of several environmental problems, namely the acid rain and the increase of the carbon dioxide concentration in the atmosphere [1, 2]. Other factors such as the uncertainties concerning fossil fuels availability and prices have encouraged the development of bioproducts. Biomass conversion into bioproducts with low carbon footprint in the context of the Green Integrated Forest Biorefinery (GIFBR) could be a promising contribution to climate change, dependence on fossil resources, and P&P mills profit grow. The GIFBR concept can be defined as an integrated industrial complex, composed of a P&P receptor mill and a biorefinery unit for the production of wide range of bioproducts. The transition of the P&P mill to a GIFBR generates new profit streams and eliminates the use of fossil fuels resources. A range of biochemical and thermochemical conversion processes can be deployed in the biorefinery unit, including fermentation, pyrolysis or gasification. First generation biorefineries that are built around biochemical conversion technologies are extensively explored. However, second generation biorefineries based on thermochemical processes, such as gasification based-biorefineries, are under development due to the high cost and complexity of the process in addition to its low level of maturity. Nonetheless, gasification is a flexible technology regarding feedstock type and provides a wide range of bioproducts alternatives combined with the subsequent syngas conversion pathways. The integration of gasification based-biorefineries in the P&P mills could ensure nil fossil fuels consumption and an economic viability of the GIFBR complex. However, the optimal configuration of the GIFBR supply chain is not yet established in Canada. Since it is possible to use various raw materials, to generate a variety of bioproducts and to feed several petrochemical industries, each link of the value chain must be defined and optimized as well as the entire chain in order to ensure the economic and environmental viability of the GIFBR complex. In addition, the potential sites for biorefining activities must be identified taking into account the location of the P&P mills and the availability of biomass feedstocks. The purpose of this thesis is to contribute to the development of the GIFBR concept through the design of the optimal supply chain related to the gasification-based GIFBR. The ultimate goal is to develop decision-making tools, based on strategic and tactical models, that integrate economic and environmental indicators to determine the optimal biomass feedstock type and the corresponding biomass treatment methods, the location and capacity of the GIFBR, the choice of the bioproduct to be generated and the flows of feedstocks and biofuels between biomass procurement sites, GIFBR and demand industries (petroleum refineries). The production cost is selected to be the quantitative measure of the economic objective while the environmental performance of the GIFBR supply chain is evaluated with respect to greenhouse gases emissions and fossil fuel consumption based on the life cycle analysis.  The applicability of the proposed model is illustrated through two case studies representing the Eastern and Western Canada and involving two biofuels alternatives, namely methanol and F-T diesel. The results allow to select the most interesting alternatives and supply chain scenarios from economical and environmental perspectives. They show that, by valorizing forest biomass within a radius of 150 km from the GIFBR, Canada has the potential to synthesis gasoline containing up to 10 % biomethanol. However, only Western Canada could produce diesel with 4% renewable content which exceed the blend mandate fixed by the federal government (2% renewable content).


identifier: K. Bourque, M. (2018). Reformulation du problème d'estimation des paramètres d'un réseau électrique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'estimateur d'état est un outil pour la gestion de grands réseaux électriques. Il est formulé sous forme de problème d'optimisation aux moindres carrés pondérés. Il permet d'estimer les phaseurs de tension à partir des mesures redondantes et bruitées recueillies par les appareils de télémétrie. Ces valeurs de phaseurs sont par la suite utilisées dans plusieurs fonctions avancées de la conduite de réseau, comme par exemple : l'analyse de contingence, la surveillance des limites de sécurité, l'écoulement de puissance optimal, etc. L'une des hypothèses de l'estimateur d'état est que le modèle et les paramètres du réseau sont parfaitement connus. Cependant, des erreurs sont introduites dans la base de données pour une multitude de raisons. L'estimation des paramètres est une fonction complémentaire de l'estimateur d'état nécessaire afin d'en assurer sa robustesse et sa fiabilité. Bien que certaines méthodes aient déjà été étudiées dans la littérature, elles reposent toutes sur une fonction objectif aux moindres carrés pondérés. Or, les poids utilisés peuvent également être erronés. L'objectif de cette recherche est de développer un outil de diagnostic hors-ligne pour le réseau de TransÉnergie basé sur une nouvelle formulation du problème d'estimation des paramètres. Dans cette formulation, la fonction objectif reste quadratique, mais elle est non pondérée. Les écarts-types sont plutôt utilisés sous forme de variables qui s'ajoutent aux mesures. De plus, des variables binaires sont intégrées afin de détecter les paramètres erronés. Un algorithme glouton basé sur l'amélioration de la fonction objectif est proposé pour aider à la résolution de ce problème à variables mixtes. Tout d'abord, la formulation est testée sur le réseau IEEE 30 barres avec du bruit de 3% et une redondance des mesures de 3.6. Des erreurs allant de 5% à 100% des valeurs initiales des paramètres sont introduites et correctement identifiées. Même dans des cas où les erreurs de susceptances et de ratios de transformateurs sont adjacentes, les paramètres arrivent à être détectés et estimés avec une précision de 0.01-5%. Sur le réseau de transport, le bruit sur les mesures de puissances réactives atteint jusqu'à 20%. Dans ces conditions, la formulation arrive à identifier les erreurs dans les paramètres jusqu'à 30% de leur valeur initiale avec une précision d'environ 10%. Les tests permettent de tirer certaines conclusions. L'identification et l'estimation dépendent fortement du flux de puissance réactive à travers la branche où le paramètre est erroné. Les sous-réseaux et échantillons de temps sélectionnés pour estimer les paramètres doivent en tenir compte.  ABSTRACT: State Estimator is a tool used in power systems to monitor its operating conditions. It is based on a weighted least square optimization problem. With noisy redundant measurements collected by equipment over the network, State Estimator estimates complex voltage phasors at each bus. Those variables are then used in multiple functions as: contingency analysis, overseeing line limits, optimal power flow, etc. An important hypothesis of State Estimator is that model and network parameters are well known. However, databases might contain errors for many reasons. Parameter Estimation is a necessary function for a robust and reliable State Estimator. Some methods have been explored in the literature. They're all based on the same weighted least square objective function. Weights are based on standard deviations, which can also be erroneous in the database. The purpose of this research is to develop a new off-line diagnostic tool for TransÉnergie parameter network. The objective function is still quadratic, but standard deviations are no longer used as weights. Instead, they're introduced as variables and added to measurements in the power flow equations directly. Binary variables are used for identifying erroneous parameters. A greedy algorithm with a decrease of the objective function as criteria is developed to help solve this mixed-integer non-linear optimization problem. This new formulation is tested on IEEE 30 buses network with 3% random noise and a redundancy of 3.6. Errors ranging from 5 to 100% of parameters initial values are introduced and successfully identified. Other cases with errors in adjacent branches susceptances and transformer tap ratios shows that the formulation is able to detect and estimate those parameters. Precision in general is around 0.01 to 5% which is pretty accurate. Transmissions power systems are prone to important noise in reactive power injections and flows. A test with a 20% level of noise shows that parameter errors are identified until 30% of their initial values with a precision of 10-20%. It is still a great improvement in those conditions. Other conclusions can be drawn from tests. Reactive power flow is really important for identification and estimation of erroneous parameters. If a part of the network stands out by having higher magnitude of flow, it might cause false detection. Subnetworks and scans should be taken according to branches having around the same magnitude and mean values. Also, if another parameter is erroneous but not estimated, it causes a great degradation of the solution and may even lead to false detection of an adjacent parameter.


identifier: Attiaoui, A. (2018). Non-Equilibrium SiGeSn Group IV Heterostructures and Nanowires for Integrated Mid-Infrared Photonics  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement des nouvelles générations de dispositifs électroniques devient de plus en plus limité par la chaleur générée par effet Joule dans les puces électroniques à haute densité. Des circuits photoniques intégrés sur silicium (Si) compatibles avec les procédés CMOS ont été proposés comme solution rentable pour réduire le réchauffement des dispositifs tout en améliorant leur performance globale. Cependant, les émetteurs à base de Si sont jusqu'à présent les composantes les plus difficiles à concevoir pour ces circuits photoniques intégrés. La principale raison est la bande interdite indirecte qui limite sévèrement l'efficacité de la luminescence du Si. Récemment l'incorporation de l'étain (Sn) dans des alliages silicium-germanium représente une nouvelle direction de recherche qui mènera à des semiconducteurs de groupe IV ayant une bande interdite directe. Les semiconducteurs obtenus Ge1-x-ySixSny sont des alliages ternaires du groupe IV compatibles avec la technologie CMOS, et peuvent avoir une bande interdite directe ajustable en fonction de la composition et de la contrainte. Ces propriétés ont généré un grand intérêt pour développer ces semiconducteurs et mieux comprendre leurs propriétés. Dans cette perspective, ce travail présente une étude détaillée de la structure de bande de l'alliage ternaire Ge1-x-ySixSny contraint et relaxé en utilisant une approche théorique fondée sur le modèle des liaisons fortes. Cette méthode est basée sur une évaluation précise des constantes de déformation de Ge, Si et α-Sn en utilisant une approche stochastique de Monte-Carlo ainsi qu'une méthode d'optimisation basée sur le gradient. De plus, une nouvelle approche d'évolution différentielle efficace est également développée pour reproduire avec précision les masses effectives expérimentales et les énergies de bandes interdites. Sur la base de ces approches, nous avons élucidé l'influence du désordre dans la structure crystalline, de la contrainte et de la composition sur l'énergie de bande interdite de Ge1-x-ySixSny. Quand 0 ≤x ≤0.4 et 0 ≤y ≤0.2, nous avons trouvé que la contrainte élastique réduit la concentration critique de Sn nécessaire pour obtenir un semiconducteur à bande interdite directe avec des énergies de bande interdite correspondantes inférieures à 0.76 eV. Cette limite supérieure diminue à 0.43 eV pour les alliages ternaires à bande interdite directe complètement relaxés. La transition obtenue vers la bande interdite directe en fonction de la composition est décrite par y> 0.605x + 0.077 et y> 1.364x + 0.107 respectivement pour les alliages contraints et complètement relaxés. Les effets de la contrainte, à une composition fixe, sur la transition de bande interdite indirecte à directe ont également été étudiés et discutés.  ABSTRACT: Progress in electronic devices has been increasingly limited by the heat generated due to Joule effect in high density electronic chips. Silicon (Si) integrated photonic circuits compatible with CMOS processing has been proposed as a viable solution to reduce the heating of devices while improving their overall performance. However, Si-based emitters are, until now, the most difficult components to design for these integrated photonic circuits. The main reason is the indirect band gap which severely limits the efficiency of Si emission and absorption of light. Recently, the incorporation of tin (Sn) into silicon-germanium alloys has been proposed to overcome this fundamental limit. The obtained semiconductors are Ge1-x-ySixSny ternary alloys of Group IV elements compatible with CMOS technology, and may have a band gap that is adjustable depending on the composition and the strain. These properties have generated a great interest to grow these semiconductors and to better understand their optoelectronic and physical properties. With this perspective, this work outlines detailed investigations of the band structure of strained and relaxed Ge1-x-ySixSny ternary alloys using a semi-empirical second nearest neighbors tight binding method. This method is based on an accurate evaluation of the deformation potential constants of Ge, Si, and a-Sn using a stochastic Monte-Carlo approach as well as a gradient based optimization method. Moreover, a new and efficient differential evolution approach is also developed to accurately reproduce the experimental effective masses and band gaps. Based on this, the influence of lattice disorder, strain, and composition on Ge1-x-ySixSny band gap energy and its directness were elucidated. For 0 ≤x ≤0.4 and 0≤y≤0.2, tensile strain lowered the critical content of Sn needed to achieve a direct band gap semiconductor with the corresponding band gap energies below 0.76 eV. This upper limit decreases to 0.43eV for direct gap, fully relaxed ternary alloys. The obtained transition to direct band gap is given by y>0.605x+0.077 and y>1.364x+0.107 for epitaxially strained and fully relaxed alloys, respectively. The effects of strain, at a fixed composition, on band gap directness were also investigated and discussed. Next, building upon the acquired knowledge from the band structure calculation, the analysis was extended toward quantifying the electron and hole confinement in a Ge1-ySny/Ge core/shell nanowire system. For that purpose, the conduction and valance band offsets were evaluated.