identifier: Cherkaoui El Azzouzi, R. (2015). Algorithmes de dénombrement d'extensions linéaires d'un ordre partiel et application aux problèmes d'ordonnancement disjonctif  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En programmation par contraintes, une contrainte de ressource unaire est un ensemble de permutations valides des activités chacune avec une fenêtre de temps et une durée. Cette contrainte est généralisée si on considère des préséances entre activités données sous la forme d'un ensemble partiellement ordonné. Un problème d'ordonnancement disjonctif peut être modélisé par une ou plusieurs contraintes de ressource unaire auxquelles s'ajoutent des contraintes supplémentaires telles que des disjonctions entre activités de différentes ressources ou des contraintes de séquences. La recherche d'une solution au problème se fait par une série de décisions de la position relative d'une paire d'activités associées à une contrainte dont l'ordre n'est pas encore connu. L'algorithme utilisé dans le choix de la paire ainsi que la position relative est appelé heuristique de branchement. Dans le contexte de l'heuristique maxSD, il s'agit de calculer les densités de solutions de toutes les assignations de paires d'activités à un ordre et ensuite de brancher sur celle de densité maximum. Pour adapter cette heuristique aux problèmes d'ordonnancement avec contraintes de ressource unaire, on considérera les densités de permutations dans lesquelles une activité est placée avant l'autre dans l'ordre partiel associé à chaque contrainte. Pour ce faire, on propose deux algorithmes exact et heuristique pour le calcul des densités de permutations dans un ensemble partiellement ordonné. Ces algorithmes sont utilisés dans l'heuristique de branchement pour résoudre la version de satisfaction de contraintes du problème Job-Shop, un cas typique d'ordonnancement avec ressources  unaires.  ABSTRACT: In constraint programming a unary resource constraint is a set of valid permutations of activities each with a time window and a duration. This constraint is generalized if we consider precedence constraints between activities given by a partially ordered set. A disjunctive scheduling problem can be stated as a combination of one or more such constraints for which some additional constraints such as disjunction or sequence of activities on different resources may be added. In this model, a solution is found by a series of decisions on the relative po- sition of a pair of activities on a same resource and for which the order is unknown. The algorithm used to select the pair and the order is called a branching heuristic. In the context of maxSD, densities of all assignments of pairs and order are computed and the assignment of maximum density is selected. In order to adapt this heuristic for scheduling problems with unary resources, we will consider the permutations of the partial order in which the rank of an activity is superior to another. For that, we propose exact and heuristic algorithms that compute the density of permutations in a partially ordered set. These algorithms are then used in branching to solve the constraint satisfaction version of the Job-Shop scheduling problem, a typical use case of scheduling with unary resource constraints.


identifier: Boisselle, V. (2015). Identification automatique des problèmes fonctionnels dans les simulateurs de vol  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les simulateurs de vol sont des systèmes composés d'un système logiciel et d'actuateurs mécaniques qui recréés la dynamique d'un vrai vol avec un aéronef et qui sont notamment utilisés par les compagnies de transport aérien pour former leurs futurs pilotes. Ces simulateurs doivent recréer des scénarios de vol permettant d'exécuter des itinéraires réguliers de vol ou de confronter les pilotes à différentes situations d'urgence qui peuvent subvenir lors d'un vrai vol (p. ex., une tempête violente). Puisque les simulateurs de vol ont un impact direct sur la qualité de formation des pilotes, une batterie exhaustive de tests s'impose à chaque fois qu'une nouvelle version d'un simulateur doit être mise en opération. Une bonne partie de ces tests requièrent l'intervention d'un pilote qui stimule le système en réalisant une série d'opérations de contrôle provenant de scénarios de vol préparés par des experts en aéronautique, ce qui est gourmand en temps, en ressources humaines et en ressources financières. La raison de la nécessité de réaliser tous ces tests est que le logiciel en soit est constitué de plusieurs composants de type boîte noire dont le code source n'est pas disponible, ils sont fournis tels quels par les fournisseurs du composant réel d'origine devant être simulé (p. ex., un composant hydraulique d'un aéronef que nous voulons simuler). Puisque nous n'avons pas pas accès au code source, il n'est pas possible lors de la mise-à-jour de l'un de ces composants de savoir quel sera le changement dans le comportement du simulateur. Dans le meilleur des cas, un défaut dans un composant aura un impact local et, dans le pire des cas, il peut nuire à tous les autres composants du simulateur. Il est dans ce cas nécessaire d'utiliser une stratégie de test d'une large granularité couvrant à la fois le fonctionnement des composants eux-mêmes et l'ensemble des fonctionnalités de vol du simulateur afin d'en assurer sa qualité. Dans le cadre de ces tests, afin de réduire le temps requis pour vérifier le bon comportement d'une nouvelle version d'un simulateur, nous proposons dans ce mémoire d'automatiser l'analyse des résultats de test en modélisant le comportement normal du système logiciel en utilisant de l'apprentissage automatique. Un tel modèle tente de recréer le comportement stable du système en bâtissant des règles reliant ses entrées à chacune de ses sorties. Les entrées sont constituées de métriques provenant des contrôles qui stimulent le système et les sorties sont constituées de métriques que nous pouvons observer. Nous produisons donc un modèle initial d'une version fiable du simulateur et nous validons par la suite le bon comportement des versions subséquentes en comparant leur comportement avec celui du modèle initial. Nous cherchons à voir s'il y a un écart trop important avec le modèle initial, ce nous considérons comme étant une déviation. Le but final de notre recherche est de pouvoir appliquer notre méthodologie d'analyse des résultats de test dans l'industrie de la simulation. Afin d'avoir plus de flexibilité dans nos expérimentations, nous commençons d'abord par valider l'approche avec un simulateur plus simple et ouvert. Nous utilisons donc le simulateur de vol à source libre FlightGear comme cas d'étude pour évaluer notre approche de test. Ce simulateur utilise l'engin de vol très populaire JSBsim et la librairie SimGear pour modéliser les aéronefs et simuler leur comportement dynamique dans un environnement de vol. JSBsim est notamment utilisé par la Nasa à des fins de recherche. Nous réalisons d'abord un vol manuel en utilisant des périphériques de contrôle d'un ordinateur tout en enregistrant les données contenues dans le simulateur. Le vol doit être composé de toutes les opérations régulières de pilotage afin que le modèle que l'on en extrait représente fidèlement le comportement normal du simulateur. Nous réalisons par la suite plusieurs répétitions du même vol afin d'identifier des niveaux de seuils robustes pour déterminer au delà de quels écarts un métrique d'une nouvelle version doit être considéré comme déviant par rapport au modèle. Nous élaborons à cet effet cinq scénarios de mutation du comportement de la version initiale de notre simulateur afin de générer différentes versions ayant des métriques qui respectent le comportement normal du système ou présentant une déviation du comportement normal reliée à un problème fonctionnel. En sachant d'avance quelles mutations présentent des déviations et avec l'aide d'experts identifiant précisément les métriques qui dévient de leur comportement normal, nous pouvons construire un oracle avec lequel nous évaluons la précision et le rappel de notre approche de détection. En particulier, dans le cadre de notre étude empirique sur FlightGear, nous modifions une version initiale du simulateur en y injectant cinq différentes mutations qui n'ont pas d'impact grave ou qui engendrent des problème fonctionnels avec lesquels nous évaluons notre approche. Les résultats montrent qu'en choisissant des niveaux de seuil initiaux lors d'une première calibration, notre approche peut détecter les métriques ayant des déviations avec un rappel majoritairement de 100% (un seul cas de mutation à 50%) et une précision d'au moins 40%. En ce qui a trait aux mutations ne changeant pas le comportement normal du simulateur, notre approche a un taux de fausses alarmes de 60%. Nous montrons également qu'avec une base de données plus large, il est possible de calibrer notre approche afin d'améliorer sa performance. Avec des niveaux de seuil optimaux qui sont calibrés pour chacune des mutations, nous obtenons un taux de rappel de 100% pour tous les cas, une précision d'au moins 50% pour les versions ayant des problèmes fonctionnels et un taux de fausses alarmes de 0% pour les versions n'ayant pas de problèmes fonctionnels. Afin d'ouvrir la voie pour des améliorations futures, nous utilisons notre méthodologie pour faire une petite expérimentation connexe sur JSBsim afin de détecter les déviations dans les transitions entre les états stables de chacun des métriques. Nous utilisons la même modélisation du simulateur. Les résultats montrent que nous pouvons battre une classification aléatoire des déviations. Cette nouvelle approche n'en n'est qu'à ces débuts et nous sommes convaincu que nous pouvons obtenir des résultats plus significatifs avec de futurs travaux sur le sujet. Nous proposons également dans les améliorations futures de descendre le niveau de granularité de notre modélisation du simulateur au niveau de chacun de ses composants. Cela permettrait d'isoler exactement qu'elle composant présente une déviation, et ainsi trouver la source du problème.  ABSTRACT: Flight simulators are systems composed of software and mechanical actuators used to train crews for real flights. The software is emulating flight dynamics and control systems using components off-the-shelf developed by third parties. For each new version of these components, we do not know what parts of the system is impacted by the change and hence how the change would impact the behaviour of the entire simulator. Hence, given the safety critical nature of flight simulators, an exhaustive set of manual system tests must be performed by a professional pilot. Test experts then rely on the test pilot's feedback and on the analysis of output metrics to assess the correctness of a simulator's behaviour, which consumes time and money, even more these tests must be repeated each time one of the components is updated by its vendor. To automate the analysis of test results from new simulator versions, we propose a machine learning-based approach that first builds a model that mimics the normal behaviour of a simulator by creating rules between its input and output metrics, where input metrics are control data stimulating the system and output metrics are data used to assess the behaviour of the system. We then build a behavioural model of the last-known correctly behaving version of the simulator, to which we compare data from new versions to detect metric deviations. The goal of our research is to first build a model of the simulator, then detect deviations of new simulator versions using that model, and finally develop an automatic approach to flag deviations when there are functional problems. Our case study uses the open-source flight simulator Flight Gear, based on the well-known JSBsim flight dynamic engine currently used by the Nasa. Applying our approach, we first drive a manual basic flight using computer peripherals while recording metrics in the simulator. We then use the recorded metrics to build a model of this basic execution scenario. After repeating several times our flight we have enough data to identify robust metric deviation thresholds to determine when a metric in a new version is deviating too far from the model. We generate five different versions of FlightGear by injecting harmless and harmful modifications into the the simulator, then perform again our initial flight multiple times for each of those versions while recording input and output metrics. We rely on experts identifying which output metric should be deviating in each scenario to build an oracle. Using an initial threshold, our approach can detect most of the deviations in problematic versions with a near perfect recall (only one case at 50%) and a reasonable precision of at least 40%. For the versions without harmfull deviations we get a false alarm rate of 60%. By optimizing the threshold for each version, we get a perfect recall of 100%, a precision of at least 50%, and a false alarm rate of 0% for the good behaving versions. To open the path for future work, we perform a case study on JSBsim using a variant of our basic deviation detection approach to detect transient deviations using the same model. Our results show that we can beat a random classification for one kind of deviation, however for other deviations our models do not perform as well. This new approach is just a first step towards transient deviation detection, and we are convinced that we can get better results in future work. We also propose to use finer-grained models for each component to be able to isolate the exact component causing a functional problem.


identifier: Bagheriasl, D. (2016). Development of Polymer Nanocomposites from Renewable Cellulose Nanocrystals  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation de la cellulose nanocristalline (CNC) comme agent de renfort dans les polymères est en croissance; toutefois, cela reste limité à quelques polymères hydrosolubles ou sous forme de latex. La plupart des polymères industriels communs étant insolubles dans l'eau, par conséquent, la CNC hydrophile ne peut être dispersée dans des matrices polymères hydrophobes. Une compatibilisation ou une modification de surface sont donc nécessaires pour obtenir une bonne dispersion et, de ce fait, améliorer les propriétés des polymères. Dans ce projet de recherche, notre objectif était de développer des nanocomposites polymère-CNC avec une structure bien dispersée et des propriétés améliorées, comparativement aux polymères non modifiés ou avec de faibles charges de CNC. À cet effet, nous avons choisi le polypropylène (PP), une des polyoléfines les plus communément utilisées dans l'industrie, et le polylactide (PLA), le biopolymère ayant suscité le plus d'intérêt dans l'industrie. Par conséquent, notre étude a été divisée en deux grandes parties. La première phase du projet portait sur le développement des nanocomposites PP-CNC. Pour favoriser une meilleure dispersion et mouillage des CNC hydrophiles dans la matrice de PP hydrophobe, un poly(éthylène-co-vinyle alcool) a été utilisé comme compatibilisant via une méthode de préparation d'un mélange maître (masterbatch). Deux mélanges maîtres différents ont été préparés, l'un en solution et l'autre à l'état fondu, avec un rapport CNC/compatibilisant de 1/3. Les nanocomposites ont été ensuite préparés par homogénéisation à l'état fondu des mélanges maîtres avec le PP, et avec une teneur en CNC de 5% en poids. Un mélangeur interne a été utilisé à cet effet. Pour des fins de comparaison, du PP contenant 15% en poids d'agent compatibilisant et du PP contenant 5% en poids de CNC ont également été préparés par mélange direct à l'état fondu. Par la suite, l'effet de la CNC sur les propriétés rhéologiques, mécaniques et thermiques du PP a été étudié. Les observations en microscopie électronique à balayage ont montré la disparition de gros agglomérats après ajout du compatibilisant. La viscosité complexe et le module de conservation des échantillons nanocomposites compatibilisés et obtenus avec la méthode en solution ont été augmentés à basses fréquences, comparativement aux nanocomposites non compatibilisés. De plus, un maximum suivi d'une décroissance (overshoot) prononcé de la viscosité transitoire, dans un test de croissance de la contrainte en cisaillement a été observé pour vi le nanocomposite compatibilisé. Le module d'Young a augmenté jusqu'à près de 47% par rapport au PP seul; la résistance à la rupture en traction est restée inchangée et l'allongement à la rupture a diminué pour le nanocomposite compatibilisé. Le module de conservation du PP à température ambiante dans une analyse thermique mécanique dynamique (DMTA) a augmenté jusqu'à près de 60%, quand une bonne dispersion a été atteinte en utilisant l'agent compatibilisant. L'effet de nucléation de la CNC sur la cristallisation du PP a été confirmé par l'augmentation de la cristallinité du nanocomposite PP et par l'augmentation de la température de cristallisation après l'ajout du compatibilisant. Ces observations ont été attribuées à l'efficacité du poly(éthylène-co-vinyle alcool) comme un agent de compatibilisation et ce, en particulier lorsque le mélange maître a été préparé en solution. La deuxième phase du projet a focalisé sur le développement de bio-nanocomposites PLA-CNC à haute performance. Une simple et nouvelle méthode de coulée utilisant un solvant polaire (N,N-diméthylformamide) a été utilisée pour favoriser une bonne dispersion de la CNC hydrophile dans une matrice PLA à différentes charges de CNC, sans toutefois la nécessité de modifier la CNC ni d'utiliser un compatibilisant. Par la suite, l'effet de la CNC sur les propriétés du PLA a été étudié à l'état fondu et à l'état solide. La microscopie électronique à transmission a révélé l'existence d'une structure bien dispersée de la CNC dans la matrice de PLA. La viscosité complexe et les modules de conservation et de perte ont augmenté de manière significative par l'incorporation de 1% en poids et plus de CNC, en particulier à basses fréquences. Ces améliorations ont été attribuées à la formation d'un réseau interconnecté de la CNC dans la matrice PLA. Le seuil de percolation rhéologique a été établi à 0,68% en poids de CNC. En outre, la viscosité en régime permanent, la contrainte de cisaillement et la première différence des contraintes normales ont augmentés. Le seuil apparent des contraintes a également augmenté avec la teneur en CNC, aussi bien en SAOS qu'en cisaillement en régime permanent. La règle de Cox-Merz n'était pas valable pour les nanocomposites PLA-CNC; Toutefois, pour les nanocomposites à contenu élevé en CNC, la règle de Cox-Merz étendue était applicable. Des maxima prononcés suivis d'une décroissance (overshoots) ont été observés en cisaillement transitoire et pour des écoulements dans un sens et le sens inverse. Ces maxima suivis d'une décroissance (overshoots) ainsi que la reprise de structure suite à des pré-cisaillements ont été expliqués par la formation d'un réseau et par le rôle important du mouvement Brownien pour vii rétablir la structure. Les nanocomposites moins concentrés pré-cisaillés à des taux plus élevés ont nécessité des temps plus longs pour rétablir leur structure initiale, après l'arrêt du cisaillement. Les propriétés rhéologiques ont démontré l'efficacité de la sonication pour disperser la CNC et par conséquent, pour former un réseau interconnecté de CNC dans la matrice PLA. Le module d'Young des nanocomposites a augmenté jusqu'à environ 23% comparativement au PLA seul; cependant, la déformation à la rupture a légèrement diminué et la contrainte en traction quant à elle est demeurée inchangée. En DMTA, le module de conservation des nanocomposites PLA-CNC a augmenté jusqu'à près de 74% dans la région vitreuse et jusqu'à près de 490% dans la région caoutchoutique. L'augmentation de la cristallinité du PLA dans les nanocomposites et le déplacement de la température de cristallisation vers des valeurs plus élevées ont été attribués à l'effet de nucléation de la CNC sur la cristallisation du PLA. A notre connaissance, il s'agit de la première fois qu'une aussi bonne dispersion de la CNC dans un polymère non hydrosoluble est obtenue et que de telles améliorations dans les propriétés des nanocomposites à l'état solide et fondu sont atteintes, sans aucun changement dans la structure morphologique de la CNC ou l'utilisation de compatibilisants. En outre, au meilleur de notre connaissance, ceci est la première étude fondamentale du comportement rhéologique des nanocomposites PLA-CNC dans différents modes d'écoulement en cisaillement.  ABSTRACT: The application of cellulose nanocrystals (CNCs) as reinforcing agents in polymers have grown, but limited to a few water-soluble polymers or polymers in latex form. However, most of the common polymers in industry are non water-soluble. Therefore, the hydrophilic CNCs cannot be dispersed in hydrophobic polymer matrices and surface modification or compatibilization are necessary to achieve a good dispersion and, consequently, to enhance the properties of polymers. In this research project our objective was to develop polymer-CNC nanocomposites with a dispersed structure and enhanced properties, relative to the neat polymers, at low CNC loadings. To this end, we selected as matrices polypropylene (PP), which is one the most commonly polyolefins, and polylactide (PLA), which has attracted the largest interest among the biopolymers in industry. The research project was conducted in two phases. The first phase of the project dealt with the development of the PP-CNC nanocomposite. To favor a better dispersion and wetting of hydrophilic CNCs within the hydrophobic PP matrix a poly(ethylene-co-vinyl alcohol) was used as a compatibilizer via a masterbatch preparation method. Two different masterbatches were prepared, one in solution and the other in molten state, with the CNC to compatibilizer ratio of 1/3. Then, the nanocomposites were prepared by melt-mixing of the masterbatches with PP using an internal mixer at a CNC content of 5 wt%. For sake of comparison, PP containing 15 wt% compatibilizer and PP containing 5 wt% CNCs were also prepared via direct melt mixing. Then, the effect of the CNCs on the rheological, mechanical and thermal properties of PP was investigated. Scanning electron microscopy showed the disappearance of large agglomerates when the compatibilizer was employed. The complex viscosity and storage modulus of the nanocomposite sample containing the compatibilizer prepared by a solution method were increased at low frequencies, compared to those of the non-compatibilized nanocomposite samples. Moreover, a pronounced overshoot for the transient viscosity in a shear stress growth experiment was observed for the compatibilized nanocomposite. The Young modulus was enhanced, up to ca. 47 % compared to the neat PP; the tensile strength remained unchanged and strain at break was decreased for the compatibilized nanocomposite. The storage modulus of the PP at room temperature in dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) was increased up to ca. 60% when a good state of dispersion was achieved using the compatibilizer. The nucleation effect of the CNCs on the crystallization of the ix PP was confirmed by the enhanced crystalline content of the PP nanocomposites and increased crystallization temperature using the compatibilizer. These observations were ascribed to the efficiency of the poly(ethylene-co-vinyl alcohol) as a compatibilizer, especially when the masterbatch was prepared in solution. The second phase focused on the development of high performance PLA-CNC bionanocomposites. A simple and novel solution casting method with a polar solvent (i.e. N,N-dimethylformamide) was used to favor a good dispersion of hydrophilic CNCs within a PLA matrix at different CNC loadings without the need of CNC modification or use of any compatibilizer. Then, the effect of the CNCs on the properties of the PLA for both molten and solid states was investigated. Transmission electron microscopy revealed the existence of well-dispersed structure of CNCs within the PLA matrix. The complex viscosity and the storage and loss moduli were increased significantly, especially at low frequencies, by the incorporation of 1 wt% CNCs and larger contents. These enhancements were ascribed to the formation of an interconnected network of CNCs within the PLA matrix. The rheological percolation threshold was determined to be 0.68 wt% CNC. Furthermore, the steady-state viscosity, shear stress and first normal stress difference were increased. The apparent yield stress increased with CNC content, for both SAOS and steady-shear experiments. The Cox-Merz rule was not valid for the PLA-CNC nanocomposites; however, for nanocomposites at large CNC contents the extended Cox-Merz rule was applicable. Pronounced overshoots in transient shear for forward and reverse flows and the structure build-up of samples after pre-shearing were explained by a network formation and the important role of the Brownian motion for structure recovery. The less concentrated nanocomposites pre-sheared at larger rates needed longer times after the cessation of the shear flow to recover their initial structure. The rheological properties demonstrated the efficiency of the sonicator in solution mixing to disperse the CNCs with the consequent formation of an interconnected network of CNCs within the PLA matrix. The Young modulus of the nanocomposites increased up to ca. 23% compared to the neat PLA; however, the strain at break slightly decreased and tensile strength remained unchanged. In DMTA, the storage modulus of the PLA-CNC naonocomposites increased up to ca. 74% in glassy region and up to ca. 490% in the rubbery region. The observation of increased crystalline content of the PLA in the nanocomposites and shift in the crystallization temperature x towards higher temperatures, were attributed to the nucleation effect of the CNCs on the crystallization of PLA. To our knowledge, this is the first time that a very good dispersion of CNCs in a non-hydrosoluble polymer together with huge increases in the properties of the corresponding solid and molten state nanocomposite is achieved, without any change in the morphological structure of the CNCs or use of any compatibilizer. Moreover, to the best of our knowledge, this is the first systematic investigation of the rheological behavior of PLA-CNC nanocomposites in different shear flow fields.


identifier: Chou, T.-K. (2015). Détermination de la conductivité hydraulique à saturation d'un sol non saturé par suivi d'infiltration à l'aide de la tomographie de résistivité électrique  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Nous présentons le développement d'une nouvelle méthodologie qui permet d'estimer la conductivité hydraulique à saturation en utilisant la tomographie de résistivité électrique lors d'un suivi d'infiltration dans un sol non-saturé ainsi que le développement d'une nouvelle méthode de maillage pour le problème d'inversion en tomographie de résistivité électrique. Cette thèse inclut deux articles qui ont été soumis dans des revues scientifiques reconnues internationalement  ABSTRACT: We present the development of a new methodology to estimate the saturated hydraulic conductivity using electrical resistivity tomography to monitor water infiltration in an unsaturated soil, and the development of a new intelligent meshing technique for electrical resistivity tomography inversion problems. This thesis includes two articles that were submitted to international refereed scientific  journals.


identifier: Kikiessa Kisaka, P. (2015). Évaluation des contraintes en place en profondeur à partir de l'écaillage des trous de forage  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'état des contraintes en place dans le massif est l'un des paramètres les plus importants dans la conception des ouvrages souterrains. Il existe plusieurs méthodes directes (par rétablissement ou par récupération) qui permettent de mesurer avec une certaine précision les contraintes in situ. En grande profondeur, la plupart de ces méthodes sont inefficaces et parfois même, la mesure n'est pas possible à cause des phénomènes comme le discage, la fermeture et l'endommagement des trous de forage. C'est pour cette raison qu'il est nécessaire de développer des méthodes  ABSTRACT: The in situ stress state in a rock mass is one of the most important parameters in the design of underground openings. There are several direct methods (by restoring or recovering) that allow to measure, with a certain precision, the in situ stresses. At larger depths, most of these methods are inefficient and even impossible due to phenomena such as disking, closure and damage of the drill holes. It is therefore necessary to develop alternative methods to measure stresses considering their importance.alternatives de mesure de ces contraintes vu l'importance de leur connaissance.


identifier: Lévesque, I. (2015). Caractérisation hydrogéotechnique des roches stériles tamisées et compactées à l'aide d'essais de laboratoire à une échelle intermédiaire  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La gestion des rejets miniers reste encore aujourd'hui un enjeu important dans l'industrie minière. Les stériles sont des roches minées n'ayant pas de valeur économique viable pour en justifier la transformation. Elles sont généralement placées dans des empilements appelés des haldes. Les haldes à stériles sont placées en surface et deviennent une partie intégrante du système hydrologique régional. La production de drainage minier acide [DMA] et de drainage neutre contaminé [DNC] sont les enjeux environnementaux pour les roches stériles. Pour améliorer les méthodes de gestion des haldes à stériles, il est important d'observer et de comprendre scientifiquement leur comportement hydrogéologique sous différentes configurations  ABSTRACT: Mine waste management still remains an important issue in the mining industry. The waste rock is mined rock with no viable economic value to justify processing, and is usually placed in stacks called waste rock piles. Waste rock piles are often placed on the surface and become part of the regional water system. In the case of waste rock piles, the production of acid mine drainage [AMD] and contaminated neutral mine drainage [CND] are the main issues. To improve methods of managing waste rock piles, it is important to observe and scientifically understand the hydrogeological behavior of piles under different configurations.


identifier: Hane, I. (2015). Caractérisation en laboratoire des remblais en pâte cimentés avec ajout de granulats (stériles concassés)  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie minière génère une quantité importante de rejets, dont les plus importants sont les stériles et les rejets de concentrateurs (résidus miniers). Le stockage de ces rejets en surface est souvent source de problèmes environnementaux. En effet, les rejets sulfureux, une fois exposés à l'air et en présence d'eau, produisent du drainage minier acide (DMA). Un moyen de gestion de ces rejets miniers consiste à fabriquer du remblai en pâte, qui est un mélange des rejets de concentrateur et/ou de stériles, d'eau et d'un agent liant  ABSTRACT: The mining industry generates a significant amount of wastes; the most important of them are waste rocks and tailings. Storing these wastes on surface storing facilities often leads to environmental problems. Indeed, sulphurous discharges, once exposed to the air and in the presence of water, produce acid mine drainage (AMD). One way of managing these mining wastes is of preparing paste backfill, which is a mixture of mill tailings and/or waste rock, mixing water and a binding agent.


identifier: Knidiri, J. (2015). Évaluation de l'effet de la pente sur le comportement hydrogéologique d'un recouvrement alternatif de type stockage-relargage constitué de rejets calcaires phosphatés en climat aride  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans les climats arides et semi-arides, le taux d'évaporation est élevé et les précipitations sont faibles. Dans ces conditions, le drainage minier acide (DMA), généré à partir de l'oxydation de minéraux sulfurés contenus dans les rejets miniers lorsque ceux-ci sont exposés à l'air et à l'eau, peut être contrôlé en réduisant l'infiltration d'eau. Parmi les techniques disponibles pour ce faire, l'utilisation des systèmes de recouvrements alternatifs type SR, connus sous l'appellation anglaise «store-and-release», est probablement la meilleure approche autant d'un point de vue technique qu'économique. Ces recouvrements sont conçus avec des matériaux ayant des propriétés hydrogéologiques spécifiques leur permettant de stocker l'eau des précipitations en saisons humides et de la retourner à l'atmosphère via le processus physique d'évaporation (ou biophysique d'évapotranspiration) en saisons sèches  ABSTRACT: Acid mine drainage (AMD) is one of the major liability encountered worldwide for the mining sector. This phenomenon result from the oxidation of sulfide minerals contained in mine wastes when exposed to air and water. In arid and semiarid climates, AMD can be controlled by reducing water infiltration. In fact, among the available techniques, the use of alternative cover systems store-and-release (SR) is probably the best approach considering technical and economic parameters. These covers are designed with materials having specific hydrogeological properties allowing them to store water from rainfall in wet seasons until it can be subsequently removed by evaporation (or evapotranspiration) in dry seasons.


identifier: Michon-Lacaze, H. (2016). Élaboration de quarts de travail robustes aux perturbations de courte durée  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le problème de la conception d'horaires d'employés est capital dans de nombreuses structures : dans les grandes surfaces, dans les hôpitaux, dans la vente au détail en général par exemple. De nombreuses études ont porté sur ce sujet. Nous nous intéressons ici plus précisément au caractère robuste des solutions par rapport aux perturbations de petite envergure. Nous souhaitons que lors d'un imprévu de la demande de petite durée, ou lors d'un retard d'employé, il soit plus facile de s'adapter grâce à des horaires plus flexibles. Nous nous intéressons en particulier à deux types de perturbations différentes : des augmentations de la demande sur des durées variant de quinze minutes à une heure, et des retards d'employés de l'ordre de la demie heure. Au cours de notre étude, nous utilisons des données où nous sont fournies les courbes de demande selon les différentes activités considérées ainsi qu'un nombre élevé de quarts potentiels pour chacun des employés. Plusieurs modèles basés sur des programmes mathématiques linéaires en nombres entiers de sélection de quarts sont mis en avant, et nous effectuons des simulations sur trois de ces modèles. Nous travaillons sur un horizon d'une semaine, en décomposant le temps en périodes d'une quinzaine de minutes, en considérant des employés avec des qualifications qui doivent satisfaire les courbes de demande des différentes activités considérées. Les deux premiers modèles testés portent sur la robustesse face aux perturbations de la demande. L'un d'entre eux consiste à diminuer artificiellement le coût des quarts pouvant être utilisés pour absorber certaines perturbations prévues, tandis que l'autre présente une approche basée sur des sous-couvertures potentielles : on considère les perturbations comme une demande potentielle et chacun des quarts comprend - ou non - un travail potentiel, c'est-à- dire un ensemble de périodes où l'employé peut rester en plus de son quart si la nécessité se présente. On constate que ces deux méthodes ont des résultats relativement similaires, mais chacune est plus efficace dans certaines situations. Dans un second temps, nous étudions une modélisation permettant de minimiser le coût espéré des perturbations liées au retard des employés. Pour ce faire, nous favorisons le début de quarts aux endroits où un autre quart finit. Cette méthode ne présente cependant que de petites améliorations au niveau du coût final sur un nombre limité d'instances. Ces méthodes présentent donc dans leur ensemble des résultats plutôt prometteurs qui mériteraient d'être étudiés plus en profondeur avec une étude complémentaire sur la construction des quarts elle-même. Cela permettrait d'avoir un impact plus conséquent sur la flexibilité des horaires choisis.  ABSTRACT: Staff scheduling has become more and more important in today's industries, where the priorities are more cost-oriented than before and where customer service is more predominant than ever. A lot of studies have been about improving performance in that area. This paper, on staff-scheduling, focuses on robustness to small perturbations. Our aim is to create flexibility in the schedules to allow us to adapt to perturbations, whether it be a demand perturbation or a late employee. The two types of perturbations we take into account are unpredicted spikes in the demand of a duration between fifteen minutes and one hour, and employees being late, typically by thirty minutes. The data we are given are the demand curves of possibly several activities, and the many potential shifts for each employee. We study several ways of selecting shifts amongst the ones that we are given, all of them based on integer linear programming, and test three of those through simulations. In the first method, we artificially lower the cost of shifts that might allow us to adapt to some perturbations. In the second, we use potential demand to model the perturbations, potential working for when an employee working a shift can fill in for an activity and potential undercover to take the costs into account. These two methods have quite similar satisfying results, even though each is more effective in some cases. After dwelling on how to adapt to perturbations linked to the demand, we study employee lateness. To reduce its cost, we try to favour groups of shifts where several start at the same time index as another shift ends. That way, if an employee is late, it is easy to ask overtime of an employee that was about to leave. This approach only allows some small improvement on the overall cost, and solely on a limited number of instances. Overall, these different methods show interesting results, that might improve significantly with a study that delves into adapting shift generation. It may improve significantly the flexibility of staff schedules.


identifier: Benito, I. (2016). Identification des configurations d'un écoulement diphasique dans un faisceau de tubes à l'aide d'une machine à vecteurs de support  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les écoulements diphasiques sont présents dans de nombreux équipements industriels comme les échangeurs de chaleur. On s'intéresse ici en particulier aux générateurs de vapeur, où il existe un écoulement transverse au niveau de la partie supérieure des faisceaux de tubes en U. Il est important de connaître les configurations que l'écoulement peut prendre à cet endroit, car dans certaines conditions, l'interaction fluide-structure peut engendrer des vibrations des tubes et de leurs supports, et donc une usure par frottement, qui peut aller jusqu'à causer des défaillances. Alors que les configurations d'écoulement sont bien connues pour les écoulements diphasiques à l'intérieur de tubes, en comparaison, peu d'études ont porté sur l'identification des configurations en faisceaux de tubes. Parmi les études réalisées, un certain nombre s'appuie seulement ou majoritairement sur des observations visuelles, qui sont source de subjectivité dans l'identification de ces configurations. Par ailleurs, le développement récent des connaissances dans le domaine du machine learning (apprentissage automatique) a ouvert de vastes possibilités pour des applications comme la classification de données et l'identification de configurations. Des « machines » d'apprentissage supervisé comme les réseaux de neurones ou les machines à vecteurs de support (SVM) ont été utilisées avec succès pour assister l'identification des configurations d'écoulement dans des tubes, permettant ainsi d'obtenir des cartes d'écoulement basées sur des classifications plus objectives. Cependant, cette approche ne semble pas encore avoir été mise à profit pour les faisceaux de tubes. L'objectif de cette étude est donc de développer une méthode d'identification des configurations d'écoulement diphasique dans les faisceaux de tubes, basée sur l'analyse de signaux obtenus par sonde optique, et l'utilisation d'une machine à vecteurs de support pour en obtenir une classification plus objective. La section d'essai utilisée est une conduite transparente à section carrée dont les parois sont constituées de demi-tubes de façon à représenter le chemin d'écoulement d'un faisceau de tubes en configuration triangulaire tournée. Les demi-tubes ont un diamètre de 38 mm et le rapport entre le pas du faisceau et ce diamètre est de 1.5. 110 points de mesure ont été réalisés pour des titres volumiques variant entre 12% et 97%, et des vitesses superficielles de liquide comprises entre 0.1 m/s et 0.75 m/s.  ABSTRACT: Two-phase flows are commonly found in a variety of industrial equipment such as heat exchangers. In steam generators, two-phase cross-flow occurs in the upper section of the U-bend tube bundles. Depending on flow velocity and on the flow pattern, fluid-structure interaction can lead to tube vibrations impacting with the support plates, thus creating fretting wear and even tube failures. Two-phase flow inside tubes are well understood, whereas few studies have been conducted to identify flow patterns inside tube arrays. Some studies rely only or mainly on visual observations and are therefore quite subjective. Recent insights in the machine learning field provide new opportunities for data classification and pattern identification. Supervised learning machines such as neural networks or support vector machines (SVM) have been successfully used to help in identifying flow patterns inside tubes, leading to more objective flow pattern maps. However, supervised learning has not yet been used in tube bundles. Hence, this study aims at developing a two-phase flow-pattern identification method for tube bundles, based on optical probe signal analysis and the use of a support vector machine to obtain a more objective classification. Experiments have been conducted in a transparent square section with half-tubes at the inner walls to simulate the open lane within a rotated triangular array. Half-tube diameter is 38 mm and the pitch-to-diameter ratio is 1.5. 110 conditions have been measured for volumetric qualities varying from 12% to 97% and superficial liquid velocities from 0.1 m/s to 0.75 m/s. For each condition, photographs were taken by a high speed camera and the optical probe signals (ie phase changes) were acquired. Analysis of the images and videos of the flow allowed first to visually identify configurations when the flow pattern was clear. Bubbly, intermittent and semi-annular patterns have thus been defined. Analysis of the probe signals then confirmed the transition locations and the need for a more objective method to classify patterns. To obtain quantitative data related to flow patterns, and allow their differentiation, the probability density functions (PDF) of the void fraction and statistical moments of the signals were calculated. In the final analysis, statistical moments were selected.


identifier: Salazar Padron, F. A. (2016). Study of Symmetry-Breaking Instabilities in Axisymmetric Geometries  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'étude des écoulements traversant des changements de section est un problème numérique et expérimental important dans le domaine de la mécanique des fluides. En effet, les termes d'inertie dans les équations de transport étant non nuls dans les changements géométriques, cela peut générer des phénomènes complexes comme le décollement et le recollement. Ce projet de recherche se focalise sur deux types de changements de sections : un convergent-divergent et une expansion brusque, des géométries largement rencontrées dans le domaine du génie et du biomédical. Cependant, il existe des différences importantes entre les prévisions numériques et les résultats expérimentaux sur les conditions qui mènent à une rupture de symétrie. En particulier, les simulations prédisent généralement des symétries alors que les mesures montrent la présence d'asymétries. Ces caractéristiques sont étudiées ici en utilisant l'analyse de stabilité linéaire. Trois méthodes de calcul de stabilité sont exposées en détail, mises en oeuvre et validées avec des données expérimentales et numériques publiées dans la littérature. La méthode la plus utilisée dans cette étude est une technique originale développée pour les écoulements incompressibles, pour lesquels elle offre plusieurs avantages par rapport aux approches basées sur l'intégration temporelle. Les résultats pour une géométrie de sténose sont présentés et discutés de façon détaillée, y compris l'étude de l'effet d'une excentricité géométrique de la sténose sur la stabilité de l'écoulement. Plusieurs solutions sont alors obtenues, et une boucle d'hystérésis est aussi observée, où deux solutions stables coexistent au même nombre de Reynolds. L'algorithme de calcul de stabilité se comporte bien à faible nombre de Reynolds, mais des problèmes numériques se produisent aux nombres de Reynolds modérés, ce qui n'a pas permis d'étudier complètement la géométrie présentant une expansion brusque. Plusieurs améliorations possibles sont discutées.  ABSTRACT: The study of the fluid dynamics of the flow through change-of-sections constitutes an important numerical and experimental setup for the Fluid Mechanics. Indeed, the non-vanishing inertia terms due to the geometrical change in the domain might produce interesting phenomena like flow separation and reattachment. The present research focuses in two types of changeof- section: a smooth contraction-expansion and a sudden expansion, both with important application in engineering and bio-engineering. However, there are discrepancies between the experimental and numerical conditions at which the axisymmetry of the flow downstream the change of section is lost, with several numerical works describing a symmetric flow at conditions where an asymmetric flow has been reported by experiments. The present research studied these discrepancies through the use of linear stability analysis. In particular, several methods for the computation of stability are developed in detail, tested numerically and validated against data published by other authors. In particular, the method used most extensively within this research constitutes a novel approach in the computation of stability in incompressible flow, with several advantages over traditional time-integration based methods. The results for the stenotic geometry are thoroughly discussed, including differences due to the geometrical description of the constriction and the parametric study of geometric perturbations due to eccentric geometries. Several solution branches were uncovered, including an hysteresis loop where two stable solution could appear at the same Reynolds number. The linear stability algorithm is well behaved at low Reynolds number, but present numerical problems at moderate Reynolds that did not allowed a complete study of the sudden expansion. Several possible improvements are discussed.


identifier: Maaroufi, S. (2016). A Dynamic Messaging Architecture for Vehicular Social Networks  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La congestion routière et les longs trajets quotidiens sont deux grandes sources d'insatisfaction chez les voyageurs.  Ces derniers partagent les mêmes besoins et intérêts au niveau de la route mais leur anonymité, leur manque de confiance en leur voisinage et la grande mobilité des véhicules les rendent incapables d'entamer et de maintenir une communication sure et stable entre eux, pendant les heures de pointe et les bouchons de circulation, afin de gérer ensemble l'état critique et imprévisible du trafic routier. Ceci déclenche chez eux des sentiments de frustration, augmente leur niveau de stress et les pousse à s'envoyer des messages de façon aveugle, ce qui empire la situation du trafic, congestionne le réseau, augmente les délais d'attente de réception d'information utiles et affecte négativement la qualité de leur voyage et leur état psychologique. Par ailleurs et en l'absence de congestion, certains voyageurs considèrent la longue durée de leur voyage comme du temps perdu à ne rien faire, d'autres utilisent les applications mobiles de géolocalisation et partagent leurs informations contextuelles avec leurs amis via les réseaux sociaux virtuels, ce qui est considéré comme un moyen de divertissement tout au long de leur voyage. En fait, l'anonymité des voyageurs au niveau de la route est alimentée par leur hésitation à partager leurs intérêts avec un public inconnu, ce qui pourrait les exposer aux problèmes de fuite de données personnelles et mettre en péril leur identité et information personnelles. Plusieurs travaux de recherche ont proposé des architectures véhiculaires qui favorisent et facilitent le développement de services et d'applications véhiculaires traditionnels orientés véhicule, qui visent principalement à améliorer la sécurité routière et à prévenir les accidents. D'autres travaux plus récents sont motivés par l'amélioration de la qualité du voyage et à offrir aux voyageurs des services de divertissement. Ces travaux proposent l'introduction du concept des réseaux sociaux dans les réseaux véhiculaires ad hoc afin de faciliter la formation de communautés véhiculaires sociales où les voyageurs sont regroupés en fonction de leur contexte et leurs intérêts sur la route. Pour ce faire, les auteurs de ces travaux ont procédé à la conception d'architectures véhiculaires sociales distribuées ou centralisées qui supportent le développement des applications véhiculaires orientées utilisateur. Cependant, ces architectures proposées ne sont pas hybrides. De plus, elles ne tiennent pas compte de la coopération entre les couches supérieures de l'architecture OSI (services et applications) et les couches inférieures responsables du routage de l'information contextuelle dynamique propagée à travers le réseau. En outre, ces dernières devraient aussi considérer la fragilité et l'instabilité des liens de communication entre les véhicules, ce qui empêche les voyageurs de maintenir une communication fiable et efficace sur la route et cause des collisions lors de la dissémination des messages dans des environnements véhiculaires denses. Par ailleurs, le coût d'accès à l'infrastructure induit une grande consommation de la bande passante dans le cas où la majorité des voyageurs se connectent à Internet simultanément dans un environnement véhiculaire hybride et dense. Cette thèse vient combler le vide d'architecture véhiculaire hybride dans les réseaux véhiculaires sociaux et propose un nouveau système de messagerie dynamique hybride, fiable, stable et efficace pour ce type de réseaux, appelé DYMES. Une telle architecture permet de favoriser les interactions entre les voyageurs en temps-réel, tout en respectant leur anonymité sur la route et en tenant compte de la dynamicité de leurs informations contextuelles partagées à travers le réseau, en utilisant un ensemble d'abstractions de communication fiable, efficace, distribué et centralisé, dans un environnement véhiculaire hybride et dense. Ce travail est subdivisé en trois volets importants qui ont fait l'objet d'articles scientifiques. Le premier volet consiste à identifier une méta-stratégie qui guide la conception des abstractions de communication hybrides sur lesquelles repose DYMES. Nous proposons l'utilisation du modèle de publication et de souscription aux services qui concorde avec la nature dynamique des réseaux véhiculaires et qui répond aux requis et aux besoins des voyageurs au niveau de la route en terme du respect de l'anonymité de leur identité. Dans ce modèle, les récipiendaires des messages publiés sont identifiés par leur contexte et non par leur identité. De ce fait, nous concevons et introduisons des abstractions dynamiques de publication et de souscription aux services qui visent à assurer une communication anonyme entre les voyageurs en leur permettant de publier leur information contextuelle dynamique et de souscrire en utilisant des filtres dynamiques sensibles au contexte des messages. Nous illustrons l'utilisation de DYMES et montrons son fonctionnement via deux applications  véhiculaires sociales distribuées et centralisées. De plus, nous identifions et nous discutons nos choix d'implémentation des abstractions centralisées, distribuées et hybrides proposées qui guident la conception du système DYMES. Le deuxième volet propose un nouvel ensemble d'abstractions de publication et de souscription dynamiques, hybrides, efficientes et fiables qui représente un module de l'architecture DYMES. Notre première abstraction est une stratégie de publication et de souscription dynamique aux services de regroupement DPSCS (Dynamic Publish/Subscribe Clustering Strategy) qui aborde les problématiques de l'isolation des voyageurs au niveau de la route et de l'instabilité de leur liens de communication. DPSCS permet à chaque voyageur de former une communauté stable basée sur son propre contexte et intérêt, qui est capable de s'auto mettre à jour de façon efficiente et fiable tout en respectant l'anonymité des voyageurs sur la route. Pour ce faire, chaque voyageur qui désire communiquer avec son entourage en créant une communauté, publie une seule publication persistante, dans un espace déterminé, dont le contenu est dynamique. DPSCS repose sur un protocole de communication qui permet de propager cette publication de manière efficiente et fiable en sélectionnant les relais qui disposent d'un lien stable avec le nœud source (l'éditeur) de la publication et qui sont situés loin de ce nœud. Les voyageurs dont les souscriptions courantes concordent avec la publication dynamique du nœud source, joignent sa communauté. La persistance de la publication envoyée détermine la fin de la formation de la communauté. Notre deuxième abstraction proposée est une stratégie de découverte et de sélection de relais mobiles appelée MGDSS (Mobile Gateway Discovery/Selection Strategy). Cette dernière aborde les problématiques de découverte et de sélection de relais mobiles dans les environnements véhiculaires hybrides qui donnent naissance à d'autres problèmes comme la grande consommation de bande passante lors de l'accès d'un grand nombre de véhicules à l'infrastructure, et le nombre exponentiel de messages envoyés entre les voyageurs dans les environnements véhiculaires denses. MGDSS se base sur le résultat de DPSCS. Elle facilite aux voyageurs groupés dans des communautés la découverte de leur entourage en leur permettant de s'envoyer un seul message chacun, qui est propagé de façon fiable et efficiente en utilisant un nouveau protocole de diffusion nommé CoCo (Context-aware Coding). Ce dernier permet de réduire le nombre de retransmissions des messages à travers la communauté et d'en assurer la livraison par les voyageurs. Ces derniers procèdent à la sélection d'un nombre minimal de nœuds relais capables de les lier à l'infrastructure en se basant sur les informations qu'ils ont reçues à travers MGDS-CoCo. Notre stratégie de sélection nommée MGSS (Mobile Gateway Selection Strategy) permet aux voyageurs d'envoyer leurs publications et leurs souscriptions à l'infrastructure à travers les relais sélectionnés en utilisant les chemins les plus stables. Une nouvelle stratégie de correspondance entre publication et souscription est implémentée au niveau de l'infrastructure et permet de comparer et de mettre à jour les souscriptions des voyageurs et de les filtrer selon leur contenu dynamique avec les publications reçues. Le résultat est renvoyé aux souscripteurs concernés via le relais sélectionné en utilisant MGSS. L'évaluation de performance de cet ensemble d'abstractions dynamiques de publication et de souscription de l'architecture DYMES prouve que la stratégie DPSCS est, en moyenne, 28% meilleure que les autres stratégies existantes en termes d'efficience et qu'elle est capable de former des communautés dans l'ordre des millisecondes. De plus, MGDSS dépasse les stratégies existantes par un facteur de 71% à 100% en termes d'efficience pour toute densité de nœuds comparée aux autres stratégies. Finalement, le troisième volet de cette thèse aborde la problématique de la dissémination des messages dans les environnements véhiculaires distribués. Nous proposons une nouvelle stratégie de publication et de souscription dynamique aux services appelée SocialDrive-BroadTrip qui constitue un module important dans l'architecture DYMES. Cette stratégie assure une communication fiable et efficiente entre les voyageurs regroupés en peloton. Elle leur permet de publier des mises à jour persistantes dont le contenu est dynamique et de souscrire en utilisant des filtres dynamiques sensibles au contexte des mises à jour publiées. La correspondance entre publication et souscription est effectuée par les souscripteurs qui sont intéressés à recevoir les dernières mises à jour publiées. La propagation de ces dernières est assurée par un nouveau protocole de diffusion nommé BroadTrip. Ce dernier est basé sur la localisation et sur le codage réseau afin de réduire le nombre de retransmissions des mises à jour envoyées à travers le peloton. L'évaluation de performance de BroadTrip montre qu'il est en moyenne 12% à 38% meilleur que les autres approches existantes. De plus, nos résultats de simulation montrent que SocialDrive-BroadTrip dépasse les autres stratégies de 26% à 58% en termes d'efficience et qu'elle est plus rapide que les autres stratégies en termes du nombre de correspondances de mises à jours effectuées. Globalement, les abstractions de communication proposées dans l'architecture DYMES peuvent être utilisées comme base de développement de n'importe quelle application véhiculaire sociale. De plus, les résultats prouvent que l'architecture DYMES améliore la qualité d'interaction entre les voyageurs tout au long de leur voyage, en leur offrant différents types de services qui leur permettent de contrer leur isolement sur la route et de communiquer en temps réel de façon anonyme, efficiente, stable et efficace. Ceci permet aussi d'assurer leur confort pendant leurs navettes quotidiennes.  ABSTRACT: Spending time in a lengthy commute is unavoidable and is considered as one of the most painful parts of the commuters' daily routine. As ubiquitous computing is increasingly revolutionizing the way people interact and socialize, there is a pressing need to showcase vehicular social applications and services that enable proximity-based social interactions among commuters during their daily commutes. These applications aim at improving the quality of the commuters' traveling experience since they share similar congestion issues and are connected through wireless links. However, the major challenging issues that constraint their social interactions during their highway travels are 1) their anonymity on the road that does not encourage them to share their common interest which may reveal their identities and disclose their private information to an unknown public, and 2) the heterogeneous nature of vehicular environments and the unreliable connectivity of their wireless links which may drastically impact the quality of their social interactions. The inclusion of social networks within vehicles has attracted many researchers to devise either distributed or centralized vehicular social frameworks that support the development of vehicular applications and promote social interactions among commuters on the road. However, and to the best of our knowledge, there is a lack of hybrid vehicular social architectures. Moreover, existing architectures do not ensure a cooperation between upper service layers and the physical vehicular communication layers and are only designed to satisfy a specific kind of commuters' requirements. In this thesis, we tackle the lack of specialized hybrid vehicular social frameworks in the literature and we propose a novel, efficient, reliable, stable, hybrid and Dynamic Messaging System (DYMES) for vehicular social networks. Our proposed messaging system enables real-time social interactions among commuters based on their common interests, without revealing their identities, while taking into account the dynamic nature of their shared information, using a set of efficient, reliable, distributed and centralized communication abstractions. More specifically, this work is subdivided into three main aspects, each of these aspects led to scientific publications.  The first aspect consists in the identification of a meta-strategy to guide building DYMES. We propose the use of the publish/subscribe model to design novel dynamic communication abstractions that match the dynamic nature of vehicular networks, as well as the anonymous nature of commuters' on the road. Our proposed dynamic publish/subscribe abstractions aim at breaking the commuters' social isolation by allowing them to publish dynamic contextual information and to subscribe using online context-aware message filters, without revealing their identities. We show the DYMES usage via two typical centralized and distributed vehicular social applications. Furthermore, we identify and discuss implementation issues of our proposed hybrid, distributed and centralized publish/subscribe abstractions which guide the building of our DYMES architecture. The second aspect introduces a set of novel, hybrid, efficient, reliable, stable and dynamic publish/subscribe abstractions that constitute an important building block of our hybrid DYMES architecture. Our first proposed abstraction is a Dynamic Publish/Subscribe Clustering Strategy (DPSCS) that tackles the problems of the commuters' anonymity and the intermittent nature of their wireless links which limit their social communication during their road trips. DPSCS provides the opportunity for each commuter to build a stable, self-updated, efficient and reliable community based on its own interests, without disclosing its personal information and without flooding the network. Using DPSCS, each commuter publishes a single persistent and dynamic publication in a predetermined geographical range, leaving the dynamic matching process to subscribers. DPSCS relies on the two Shot Stable Routing Service (2S-SRS) that disseminates the commuter's publication using stable and farther nodes. Our second proposed abstraction is a Mobile Gateway Discovery/Selection Strategy (MGDSS) that tackles the problems pertaining to mobile gateway discovery and selection in hybrid dense vehicular environments and that lead to other related challenges such as extensive bandwidth consumption and high message overhead. MGDSS is based on the outcome of DPSCS and allows commuters clustered in interest-based communities to efficiently and reliably discover their neighborhood, using an efficient and reliable broadcasting protocol called CoCo (Context-aware Coding). This protocol uses location and network coding in order to reduce the number of message retransmissions throughout the network, during the discovery process. A minimum number of mobile gateways is then selected by each commuter, upon the end of the discovery process, in order to simultaneously send the commuters' dynamic publications and subscriptions to the infrastructure using stable links. An online matching strategy is executed at the infrastructure and aims at updating the commuters' subscriptions and at sending positive matches to the corresponding subscribers. More specifically, DPSCS outperforms the next best comparable approach by 28% and succeeds to build social communities in the order of milliseconds. Furthermore, MGDSS shows an improvement of 71% to 100% over existing discovery strategies for any node density. Finally, the third aspect introduces a new dynamic publish/subscribe broadcasting abstraction called SocialDrive-BroadTrip that also constitutes an important building block of our hybrid DYMES architecture. SocialDrive-BroadTrip tackles the problem of updates dissemination in distributed vehicular environments. It aims at enabling real-time social interactions among commuters clustered in platoons. It allows them to publish dynamic and persistent updates and to subscribe using online context-aware update filters. Matching is executed by subscribers who are interested to receive the newest updates. The dissemination of persistent publications (updates) throughout the network is performed using a novel, efficient and reliable broadcasting protocol called BroadTrip. It leverages on location information and network coding in order to reduce the number of retransmissions needed to propagate the published persistent updates in platoons. The proposed abstraction is evaluated analytically and through simulations. We first evaluate the performance of BroadTrip protocol. The results show that it outperforms the next best comparable approach by 12% to 38% depending on settings. We then use BroadTrip as an underlying protocol in the DYMES architecture and evaluate the performance of SocialDrive-BroadTrip in a vehicular dense environment. The results show that our proposed strategy outperforms other existing approaches by 26% to 58% depending on settings. Globally, the results prove that DYMES is the best suitable messaging system to improve the quality of real-time social interactions among commuters in hybrid and dense vehicular environments, that it is able to ensure efficiency and comfort during their daily commutes and that its dynamic, efficient and reliable communication abstractions can be used to build any kind of vehicular social applications.


identifier: Sansas, F. (2016). Simulation numérique de la dynamique d'une structure élancée flexible dans un écoulement de fluide compressible  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire traite d'un problème de stabilité d'une structure flexible soumise à un écoulement. Deux configurations sont étudiées, le problème d'un drapeau flottant et celui de la reconfiguration d'une plaque plane. Nous nous intéressons à la déformation dynamique d'une plaque flexible immergée dans un écoulement de fluide. L'étude numérique est bidimensionnelle, le modèle de la plaque est une poutre basé sur les équations d'Euler-Bernouilli en larges déplacements et résolues par différences finies. Le fluide compressible et visqueux est résolu numériquement par un solveur CFD développé au sein du laboratoire de recherche de polytechnique utilisant la méthode de volume fini (FVM). Le mouvement de la structure dans le fluide est pris en compte en utilisant la méthode arbitraire Eulerienne-Lagrangienne (ALE) avec la technique de loi de conservation du maillage (GCL). Les deux solveurs sont faiblement couplés, le maillage est réalisé à chaque pas de temps par un logiciel développé dans le laboratoire. Chacun des solveurs est validé et vérifié indépendamment en utilisant des cas statiques et dynamiques réalisés dans différentes études numériques issues de la littérature. Les ordres de convergence des domaines spatiaux et temporels sont analysés afin de vérifier qu'ils correspondent aux méthodes numériques développées dans le code. Dans le premier cas d'étude, servant d'exercice de validation, le flux est parallèle à la plaque. Le bord d'attaque est encastré, l'autre extrémité est laissée libre : c'est le cas du drapeau flottant. On observe alors la stabilité de la plaque en fonction de sa masse et aussi de la vitesse du flux. On analyse aussi les différents modes de vibrations en comparant avec les résultats numériques et expérimentaux. Dans le deuxième cas, la plaque est encastrée en son milieu et le flux est perpendiculaire à son état non déformé. Sous l'effet de la pression dynamique du fluide, la plaque se déforme en se repliant dans le sens de l'écoulement. Le profilage et la réduction d'aire entrainent une réduction de la traînée des forces fluides, c'est ce que l'on appelle la reconfiguration. On mesure cette réduction de traînée afin de vérifier que le modèle développé ici simule correctement ce phénomène en comparant avec des mesures numériques et expérimentales de la littérature. Plus la plaque est souple, plus la traînée va être réduite, mais il peut apparaître une instabilité similaire à celle du drapeau flottant. Il existe donc un compromis entre la réduction de traînée par reconfiguration et la stabilité de la structure flexible. Nous présentons alors les résultats préliminaires du seuil de stabilité et les différents phénomènes de flottement.  ABSTRACT: This thesis deals with the stability of a flexible structure subjected to a flow. Two configurations are considered, the problem of a flapping flag and the reconfiguration of a flat plate. We are interested in the dynamic deformation of a flexible plate immersed in a fluid flow. The numerical study is two-dimensional, the structural model of the plate is a beam based on Euler-Bernoulli equations in large displacement and solved by finite differences. The compressible and viscous fluid is solved numerically by a CFD solver developed in the research laboratory of Polytechnique using the Finite Volume Method (FVM). The structure displacement in the fluid domain is taken into account by using the Arbitrary Eulerian-Lagrangian (ALE) method with the technique of Grid Conservation Law (GLC). Both solvers are loosely coupled, the mesh is made each time by a software developed in the lab. Each solver is validated and verified independently using static and dynamic cases made in differents numerical studies from the literature. The convergence orders of spatial and temporal domains are analyzed to verify that they correspond to the numerical methods developed in the software. In the first study, for validation exercise, the flow is parallel to the plate. The leading edge is clamped, the other end is free : this is the case of a flapping flag. We then observe the stability of the plate according to its mass and also to the flow velocity. The different modes of flutter are also analyzed by comparing with the experimental and numerical results. In the second case, the plate is clamped at its middle and the flow is perpendicular to its initial shape. Under the effect of the dynamic pressure of the fluid, the plate deforms by bending in the flow direction. The projected area reduction and the streamlining lead to fluid forces reduction : this behaviour is called reconfiguration. We measure the drag reduction to ensure that the model developed here correctly simulates this phenomenon by comparing with numerical and experimental measurements of literature. The more the plate is flexible, the more the drag is reduced, but at some point it may appear instability similar to flag flutter case. There is therefore a compromise between the drag reduction by reconfiguration and the stability of the flexible structure. Then, we present the preliminary results of stability threshold and the various flutter phenomenon. The stability is dependent on the mass and also on the flow velocity.


identifier: Gallay, S. (2016). Algorithmes de couplage RANS et écoulement potentiel  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le processus de développement d'avion, la solution retenue doit satisfaire de nombreux critères dans de nombreux domaines, comme par exemple le domaine de la structure, de l'aérodynamique, de la stabilité et contrôle, de la performance ou encore de la sécurité, tout en respectant des échéanciers précis et minimisant les coûts. Les géométries candidates sont nombreuses dans les premières étapes de définition du produit et de design préliminaire, et des environnements d'optimisations multidisciplinaires sont développés par les différentes industries aéronautiques. Différentes méthodes impliquant différents niveaux de modélisations sont nécessaires pour les différentes phases de développement du projet. Lors des phases de définition et de design préliminaires, des méthodes rapides sont nécessaires afin d'étudier les candidats efficacement. Le développement de méthodes améliorant la précision des méthodes existantes tout en gardant un coût de calcul faible permet d'obtenir un niveau de fidélité plus élevé dans les premières phases de développement du projet et ainsi grandement diminuer les risques associés. Dans le domaine de l'aérodynamisme, les développements des algorithmes de couplage visqueux/non visqueux permettent d'améliorer les méthodes de calcul linéaires non visqueuses en méthodes non linéaires prenant en compte les effets visqueux. Ces méthodes permettent ainsi de caractériser l'écoulement visqueux sur les configurations et prédire entre autre les mécanismes de décrochage ou encore la position des ondes de chocs sur les surfaces portantes. Cette thèse se focalise sur le couplage entre une méthode d'écoulement potentiel tridimensionnelle et des données de section bidimensionnelles visqueuses. Les méthodes existantes sont implémentées et leurs limites identifiées. Une méthode originale est ensuite développée et validée. Les résultats sur une aile elliptique démontrent la capacité de l'algorithme à de grands angles d'attaques et dans la région post-décrochage. L'algorithme de couplage a été comparé à des données de plus haute fidélité sur des configurations issues de la littérature. Un modèle de fuselage basé sur des relations empiriques et des simulations RANS a été testé et validé. Les coefficients de portance, de trainée et de moment de tangage ainsi que les coefficients de pression extraits le long de l'envergure ont montré un bon accord avec les données de soufflerie et les modèles RANS pour des configurations transsoniques. Une configuration à géométrie hypersustentatoire a permis d'étudier la modélisation des surfaces hypersustentées de la méthode d'écoulement potentiel, démontrant que la cambrure peut être prise en compte uniquement dans les données visqueuses.  ABSTRACT: In new aircraft development programs, the selected geometry must meet many criteria in many fields, such as structure, aerodynamic, stability and control performance or even safety. In addition, costs must be reduced to the minimum. In the early stages of development, several configurations must be analyzed. Multidisciplinary optimization environments are developed by various aeronautical industries. Every development stage requires different accuracy levels and therefore adapted methods are developed. During the product definition and preliminary design phase, fast methods are needed to study efficiently the numerous candidates. The development of new methods improving the accuracy of the existing ones while keeping a low computing cost can greatly reduce project risks and costs. In the aerodynamics field, viscous/inviscid coupling methods are used to improve inviscid linear computations by coupling them with nonlinear viscous data. These methods allow to characterize the viscous flow on the configurations and thus predict the stall mechanisms or the position of the shock waves on the wings. This thesis focuses on the coupling method between a three-dimensional potential flow and two-dimensional viscous sectional data. Existing methods are first implemented and their limits are identified. An original method is then developed and validated. Results on an elliptical wing demonstrate the ability of the algorithm to accurately predict the aerodynamic coefficients even at high angles of attack and in the post-stall region. The original coupling algorithm is compared to higher fidelity data on configurations extracted from the literature. A fuselage model, based on empirical relationships and RANS simulations, has been implemented and validated. The lift, drag and pitching moment coefficients as well as the pressure coefficient extracted along the wing span show good agreement with wind tunnel data and CFD models for transonic cases. A high-lift configuration is used to study the modeling of control surfaces in the inviscid method, demonstrating that the camber can be considered only in the viscous data. Although viscous data are necessary for the coupling algorithm, the manner of obtaining them is not considered in this study, since they are seen as a pre-existing database and independent of the coupling method. However, taking into account the sweep angle in the development of a new method to obtain infinite swept wing solutions on two-dimensional meshes is briefly addressed in this project, since its effect on the prediction of the aerodynamic coefficients is highlighted and allows a better match of the coupling algorithm with higher fidelity methods.


identifier: Méndez Romero, J. A. (2016). Experimental and Numerical Study of Needle Peening Effects in Aluminium Alloy 2024-T3 Sheets  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le grenaillage est un procédé utilisé dans l'industrie aérospatiale pour améliorer la vie en fatigue des composantes soumises à des contraintes cycliques, comme les trains d'atterrissage, les voilures d'avion et certaines pièces de moteurs. La méthode de grenaillage la plus commune consiste à projeter des petites billes sur la surface d'une pièce pour modifier sa structure de surface. Les impacts des billes, appelées grenailles, induisent des déformations plastiques en surface, ce qui conduit à des contraintes résiduelles compressives en surface. Bien que la grenailleuse soit utilisée pour le traitement de grandes pièces, il existe des technologies pour faire le grenaillage localisé, comme le grenaillage aux aiguilles. Ce travail de recherche a eu comme objectif d'analyser en détail le comportement d'un nouveau prototype d'appareil de grenaillage à aiguilles, appelé le SPIKERTM pour en comprendre les effets sur les contraintes résiduelles de l'alliage AA2024-T3. L'équipement a été premièrement caractérisé en utilisant une caméra à haute vitesse pour étudier son comportement en changeant la pression d'opération. L'ensemble des images collecté a été traité par un nouvel algorithme de manipulation numérique pour quantifier la vitesse et la fréquence des impacts des aiguilles. La vitesse au moment d'impact et la fréquence des impacts ont été déterminées pour différents paramètres d'opération. Il a été conclu que la vitesse et la fréquence des impacts augmentent avec la pression. Des anomalies du comportement, dont des variations de la fréquence et la vitesse parmi les aiguilles, ont été observées. La réponse de l'alliage AA2024-T3 au grenaillage aux aiguilles a été étudiée expérimentalement sur des tôles d'une épaisseur de 1.6 mm. Les tôles ont été coupées aux dimensions des bandes Almen et traitées par le SPIKER R. L'alliage AA2024-T3 a été choisi car il a été bien étudié à l'École Polytechnique de Montréal dans la cadre de recherche de grenaillage conventionnel. Des essais de saturation ont été réalisés pour déterminer la déflection à la saturation pour plusieurs paramètres de grenaillage. La déflection a été aussi mesurée avec l'outil standard Almen utilisé dans la vérification périodique du traitement. Comme l'aluminium n'était pas magnétiquement compatible avec l'outil Almen, la déformation des échantillons a été mesurée avec une Machine à Mesurer Tridimensionnelle (MMT). La répétabilité du procédé a été démontrée et la déflection au point de saturation, comme le temps de saturation, ont été obtenus. Les diamètres des indentations crées par les impacts ont été mesurés pour les différentes valeurs de pression en utilisant la photographie microscopique.  ABSTRACT: Peening of metallic components is an effective treatment used in aerospace and automotive applications to improve fatigue properties or to blend and repair localized damage. This process is typically carried out using metallic airborne media, called shot. However, different processes make use of different media, such is the case of hard, pneumatically powered needles of needle peening equipment. In order to obtain a better understanding of the effects of needle peening in the same context as shot peening, this research work had as an objective to study in detail the behavior of the needle peening equipment in order to characterize the process, design an experimental campaign to measure the effects of needle peening on AA2024-T3 and to develop and validate a Finite Element (FE) model capable of replicating the results of needle peening. The needle peening equipment prototype, called SPIKER R, was developed by Shockform Aeronautique Inc. The equipment was characterized by utilizing high-speed camera recording in order to study its behaviour by varying the operating pressure. The obtained collection of images was ran through a newly developed digital image algorithm, so as to quantify the needles' velocity and frequency. The impact velocity and impact frequency were determined for different equipment operating parameters. It was concluded that both the average impact velocity and the impact frequency increase as the pressure becomes larger. Behaviour anomalies among the different needles, such as frequency and velocity variations, were brought to light; these conclusions could be of interest to the manufacturer. Ideally, all of the needles should behave as similarly as possible so as to produce a more uniform process.  The response to needle peening of AA2024-T3 in 1.6 mm thick sheet form was studied by needle peening test specimens with dimensions of an Almen strips using the SPIKER R. AA2024-T3 was selected since it was extensively studied at École Polytechnique de Montréal as part of previous shot peening research. Saturation tests were done to determine the deflection at saturation for different peening parameters. The specimen deflection was measured using the standard Almen gauge used as part of routinary process control. Due to the aluminium magnetic incompatibility with the Almen gauge, the deformed specimen profile was measured using a Coordinate Measuring Machine (CMM). Repeatability of the process was demonstrated and the deflection at saturation, as well as the saturation time, was obtained. The indentation diameters created by impacts for different operating pressures were measured using microscopic photography. It was determined that the specimen deformation, as well as the indentation diameter, is larger when the operating pressure increases.


identifier: Dorion-Thibaudeau, J. (2016). Études des interactions entre les immunoglobulines G et leurs récepteurs Fc gamma afin d'évaluer le patron de glycosylation des anticorps  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec plusieurs brevets qui arriveront à échéance dans les prochaines années, un nombre grandissant de compagnies biopharmaceutiques a démarré des programmes de développement d'anticorps biosimilaires. Ces molécules thérapeutiques doivent répondre à plusieurs critères imposés par les agences de santé, comme un profil de glycosylation « adéquat ». Ainsi, plusieurs études se sont penchées sur les mécanismes cellulaires de la glycosylation afin de comprendre ce processus et de mieux le contrôler. C'est dans ce contexte qu'est né le réseau pancanadien MabNet auquel ce projet est rattaché. Cette thèse de doctorat s'inscrit dans la section analytique du réseau et a pour objectif de développer un essai cinétique et/ou thermodynamique fiable afin d'évaluer le patron de glycosylation de différents lots d'anticorps monoclonaux. Pour se faire, les interactions entre les domaines extracellulaires des récepteurs Fcγ et les anticorps monoclonaux ont été caractérisées en utilisant un biocapteur capable de les suivre en temps réel. Dans le cadre de ce travail, nous avons tout d'abord produit et purifié les domaines extracellulaires des récepteurs FcγRI et FcγRIIIa comprenant une étiquette histidine par transfection transitoire dans les cellules de mammifère. Ces récepteurs sont utilisés dans un essai analytique de détection par résonance des plasmons de surface (SPR) afin d'évaluer les profils de glycosylation et l'état d'agrégation des anticorps monoclonaux. Ce travail a été publié dans le « Journal of Immunological Methods » en 2014. Ces travaux ont aussi été présentés lors de la conférence canadienne de génie chimique en 2012 en tant que présentateur invité (CSChE, Vancouver) et lors de la conférence internationale « Protein Expression in Animal Cell » en 2013 (PEACe, Kananaskis). Plus particulièrement, nous nous sommes attardés à comparer l'immobilisation covalente par les amines des récepteurs à la surface du biocapteur et la capture orientée de ceux-ci grâce à un anticorps anti-histidine qui reconnaît l'étiquette histidine des récepteurs. Le greffage non orienté engendre des cinétiques plus complexes possiblement causées par la présence de plusieurs populations à la surface du biocapteur. Malgré l'amélioration de l'essai en utilisant une capture orientée du récepteur, les cinétiques obtenues n'étaient toujours pas décrites adéquatement par un modèle simple de Langmuir (1 :1), car l'association de l'anticorps avec le récepteur diminue l'affinité entre ce dernier et l'agent de capture. Ainsi, le récepteur se dissocie partiellement de l'agent de capture lors de l'injection de l'anticorps à évaluer. La capture via un anticorps anti- vii histidine n'est pas idéale et une autre approche expérimentale devait être envisagée afin d'éliminer ces artéfacts. Cette étude initiale nous a aussi permis de mettre en évidence l'intérêt d'un test SPR pour détecter la présence d'agrégats dans les lots d'anticorps purifiés. Ceci est une alternative intéressante à une analyse par ultracentrifugation analytique puisqu'elle requiert moins de matériel et permet l'évaluation de la bioactivité simultanément. Dans un second manuscrit publié en 2016 dans le « Journal of Molecular Recognition », une approche utilisant la forte affinité entre la biotine et la streptavidine pour capturer les récepteurs à la surface de la SPR a été exploitée. Ces travaux ont aussi été présentés lors de la conférence internationale Cell Culture Engineering en 2014 (CCE, Quebec). Nous avons tout d'abord développé un protocole de biotinylation in-cell des récepteurs FcγRs afin d'éviter la réaction enzymatique in vitro et une étape de purification subséquente. La méthodologie consiste à co-transfecter des cellules de mammifère en utilisant deux plasmides codant l'un pour l'enzyme BirA (qui permet la biotinylation) et l'autre pour le récepteur ayant une séquence peptidique reconnue par l'enzyme (et qui sera biotinylée) en C-terminal. Comparativement aux techniques utilisées dans d'autres études, notre approche expérimentale de biotinylation in-cell par co-transfection permet d'ajuster les ratios enzyme-substrat afin d'optimiser les rendements finaux. Les résultats obtenus par ultracentrifugation analytique indiquent que la conformation du récepteur n'est pas influencée par la méthode développée et cette hypothèse est aussi validée par nos études SPR. Les quatre récepteurs biotinylés (FcγRI, FcγRIIa, FcγRIIb et FcγRIIIaF158) ont été produits et capturés à la surface du biocapteur. Cette approche a permis de capturer les récepteurs de manière très stable par rapport à notre approche SPR basée sur l'utilisation d'un anticorps anti-histidine. Cependant, les interactions anticorps-récepteurs dévient toujours du modèle cinétique simple. Malgré cette déviation, nous avons pu évaluer de manière semi-quantitative les profils de glycosylation (analysés par spectrométrie de masse à l'Université du Manitoba) des anticorps, en enregistrant leurs cinétiques d'interaction avec les récepteurs FcγRI et FcγRIIIa. Dans une troisième étude, en collaboration avec Céline Raymond (étudiante à l'Université de Montréal) qui sera soumise pour publication dans les prochaines semaines, notre test SPR a été utilisé afin d'évaluer les différents profils de glycosylation de notre anticorps modèle (TZM). L'anticorps cible l'antigène HER2 présent à la surface de certaines cellules cancéreuses, notamment lors du cancer du sein. En tout, huit TZM présentant différents patrons de glycosylation ont été analysés par notre approche SPR et il a été possible de corréler ces résultats à ceux obtenus viii grâce à des tests cellulaires d'ADCC. Le test ADCC est un test de substitution, utilisant des cellules surexprimant le récepteur FcγRIIIaF158 ayant un gène rapporteur qui permet de corréler la fluorescence à l'interaction anticorps/récepteur. Ces résultats complémentaires viennent confirmer la validité et l'intérêt de la méthodologie que nous avons développée pour caractériser les interactions FcγR-immunoglobuline et prédire leur comportement. Enfin, dans une quatrième étude soumise pour publication dans le « Journal of Immunological Methods », nous avons utilisé la même approche de capture (biotine-streptavidine) afin de caractériser la production d'un anticorps à même le surnageant d'une culture cellulaire. En un seul cycle d'injections, nous avons pu, grâce à notre approche, quantifier l'anticorps dans le surnageant et vérifier la capacité de ses portions Fc et Fab de se lier à leurs partenaires biologiques respectifs, à savoir, FcγRI et l'antigène. A ce jour, aucune méthodologie fiable pour contrôler le processus de glycosylation des protéines n'a été développée. Les travaux présentés dans cette thèse permettent d'évaluer rapidement l'impact de la glycosylation sur la bioactivité des anticorps. L'essai analytique développé est d'un intérêt majeur, car il peut être mis en place pour assurer le suivi « en ligne » ou « hors ligne » de la qualité des protéines produites dans un procédé établi ou encore pour le développement d'un biosimilaire. De plus, cet essai pourrait être adapté et utilisé pour d'autres types de glycoprotéines.  ABSTRACT: With several patents expiring within the next years, an increasing number of biopharmaceutical companies have started producing biosimilar antibodies. These therapeutic molecules must meet several criteria for health agencies, such as the obtainment of a “desirable” glycosylation pattern, which still represents a challenge for the industry in terms of control and characterization. It is in this context that the Canadian network MabNet, to which this project belongs, was born. This thesis is part of the analytical activities of the network and aims to develop a kinetic and/or reliable thermodynamic assay to evaluate the glycosylation profiles of different monoclonal antibodies. In this endeavour, the interactions between the extracellular domains of Fcγ receptors and monoclonal antibodies have been explored using a surface plasmon resonance (SPR)- based biosensor. In an initial study, we have produced and purified the extracellular domains of both his-tagged FcγRI and FcγRIIIa receptors by transient transfection in mammalian cells. These receptors were used in an analytical surface plasmon resonance (SPR)-based assay to evaluate the glycosylation patterns and the aggregation state of the monoclonal antibodies. This work was published in the “Journal of Immunological Methods” in 2014. These results have also been presented during the “Canadian Conference of Chemical Engineering” in 2012 as the Keynote speaker (CSChE, Vancouver) and during the international conference named “Protein Expression in Animal Cell” in 2013 (PEACe, Kananaskis). More precisely, the comparison between the covalent immobilization of the receptors and their oriented capture via an anti-Histidine antibody (which associates with the his-tag) was performed by SPR. The non-oriented grafting of the receptor ectodomains was shown to generate complex kinetics, more likely due to the presence of several receptor populations at the biosensor surface as a result of the non-oriented chemical immobilization. A receptor capture approach based on anti-Histidine antibody greatly improved the assay, however, the kinetic still deviated from the Langmuir model (1:1). This deviation was due to the fact that, upon antibody binding, the affinity of the receptor ectodomain for the capture anti-His antibody diminished, resulting in receptor dissociation from the surface of the SPR instrument. These results suggest that capturing receptors via an anti-Histidine antibody is not ideal: another capture strategy should be considered to eliminate this artefact. This initial study also allowed us to highlight that a SPR assay is an interesting alternative to analytical ultracentrifugation analysis for the detection of aggregates x in purified antibody batches as it requires less material for analysis and the bioactivity is being assessed at the same time. In a second manuscript published in 2016 in the “Journal of Molecular Recognition”, an approach using the strong affinity between biotin and streptavidin to capture receptors onto the biosensor surface is described. These results have been presented during the international conference “Cell Culture Engineering” in 2014 (CCE, Quebec City). We first developed an in-cell FcγR biotinylation protocol which allows the elimination of the enzymatic in vitro biotinylation and an additional purification steps. The methodology is based on the co-transfection of mammalian cells with two plasmids encoding the BirA enzyme (responsible for biotinylation) and the receptor tagged with a specific peptide sequence (to be biotinylated) at its C-terminus. Compared to the techniques developed by other groups, our experimental in-cell biotinylation approach allows the fine tuning of the enzyme:substrate ratios in order to optimize the production yields. Investigations performed by analytical ultracentrifugation suggested that the conformation of the receptor we produced is not affected by tag/biotin addition, which was later confirmed by SPR. The four biotinylated receptors (FcγRI, FcγRIIa, FcγRIIb and FcγRIIIaF158) were produced and tethered to streptavidin-derivatized SPR surfaces. This capture strategy significantly improved the quality of the kinetics we recorded when injecting antibodies (compared to the previous assay we designed with an anti-Histidine experimental approach). However, the antibody-receptor interactions still deviated from a simple kinetic model, more likely due to the presence of various glycoforms (analyzed by mass spectrometry at University of Manitoba) within the antibody lots we tested. Our assay was however applied to evaluate the glycosylation impact on the binding of monoclonal antibody preparations to the FcγRI and FcγRIIIa ectodomains. In a third study to be submitted for publication in the coming weeks, in collaboration with Céline Raymond (student at Université de Montréal), our biotin-streptavidin capture strategy was applied to the characterization of different TZM antibody preparations. TZM targets HER2, an antigen present on the surface of some cancer cells, especially breast cancer. Eight TZM that harboured distinct glycosylation patterns were analyzed by SPR. Of salient interest, the SPR results with captured FcγRIIIa could be correlated to those generated in an ADCC assay performed with cells over-expressing the same receptor. Using a reporter gene, it was possible to correlate the fluorescence and the antibody/receptor binding. These additional results confirmed the validity and xi relevance of the methodology we developed to characterize the antibody-FcγR interactions in order to predict antibody behaviour in ADCC assays. A fourth study submitted for publication to the “Journal of Immunological Methods” uses the same capture approach (biotin-streptavidin) to characterize the production of an antibody in the supernatant of a mammalian cell culture. In this study, we highlighted that, within a single cycle of injections, one may quantify the TZM in the supernatant and verify the antibody ability to bind its receptor and related antigen via its Fc and Fab portions, respectively. To date, there is no trustable methodology developed to control the glycosylation process of proteins. The work presented in this thesis allows the assessment of the glycosylation impact on the bioactivity of antibodies. The analytical assay described is of great interest because it can be set up to monitor "online" or "offline" the quality of the protein produced in an established process or for the development of a biosimilar. Furthermore, this assay could be modified and used with other types of glycoproteins.


identifier: L'Heureux, S. (2016). Modélisation de scénarios de déversements dans un canal d'eau potable  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le cadre de la nouvelle réglementation québécoise sur la protection des sources d'eau potable, la qualité de l'eau, mais également la vulnérabilité des sources d'eau à des événements de contamination doivent être évaluées. Des événements comme des déversements de substances toxiques ou d'eaux usées contenant des micro-organismes pathogènes peuvent nécessiter des changements dans l'opération d'une usine de traitement d'eau potable et s'ils ne sont pas adéquatement détectés et pris en charge, la santé de la population desservie pourrait être affectée. Ce projet a pour but de déterminer les types d'événements de contamination qui présentent le plus grand risque pour une source d'eau potable et les actions pouvant être prises pour minimiser ce risque. Le projet se base sur un cas d'étude réel d'un canal d'amenée d'une usine d'eau potable située en milieu urbain.  ABSTRACT: Under the new Quebec regulations on source water protection, water quality and vulnerability of source waters must be evaluated. Events leading to toxic spills or the release of waste water containing pathogenic microorganisms may require real time changes to the operation of a drinking water treatment plant. If spill events are not adequately recognized, foreseen and reported, the health of the population served by the community water supply may be affected. This project aims to determine the types of contamination events that pose the greatest threats to a drinking water source, and the actions that can be taken to minimize the risk. The project is based on a real case study of a canal used to supply raw water to a drinking water plant located in an urban area.