identifier: Marchand, C. (2010). Étude de l'implant chitosane glycérol-phosphate/sang avec/sans facteurs de coagulation sur la réparation du cartilage articulaire et de l'os sous-chondral  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Actuellement, dans le domaine de la chirurgie orthopédique, un des plus grands défis est la régénération du cartilage dans les lésions articulaires focalisées. Les procédures de stimulation de la moelle osseuse telles la technique de microfracture utilisant des pics ou une microperceuse pour perforer l'os sous-chondral sont utilisées afin d'induire la formation d'un caillot sanguin à la surface du cartilage. Toutefois, le cartilage obtenu est plutôt de type fibreux ou fibrocartilagineux. Afin de stabiliser le caillot sanguin et de guider les processus de réparation, notre laboratoire a développé un implant novateur biohybride composé d'un mélange de sang autologue et d'un biomatériau le chitosane, qui est obtenu à partir de la déacétylation partielle de la chitine, un polymère naturel extrait de la carapace des crustacés. Le chitosane, en plus d'être biocompatible et biodégradable, est depuis longtemps connu pour ses propriétés hémostatiques et ses propriétés favorisant la guérison tissulaire. Le mélange homogène de sang autologue et des solutions de chitosane-glycérol phosphate (chitosane-GP) se solidifient normalement et forment un caillot où la morphologie des érythrocytes est normale ainsi que la structure du réseau des fibres de fibrine qui est entremêlée avec le chitosane. Les caillots hybrides de chitosane résistent mieux à la rétraction naturelle induite par les plaquettes et demeurent ainsi plus volumineux, fermes et élastiques. Cliniquement, il a été observé que l'implant chitosane nécessite 15 minutes pour se solidifier suite à sa déposition à la surface de la lésion chez l'humain. L'accélération de la solidification de l'implant chitosane-GP/sang pourrait faciliter le traitement de grandes lésions ou de lésions problématiques comportant des surfaces courbées et où la lésion n'est pas parfaitement entourée par une bordure et pourrait aussi diminuer le temps de chirurgie. Face à cette situation où une solidification in situ plus rapide et mieux contrôlée serait préférable, ceci nous a menés à étudier la possibilité d'accélérer la solidification de l'implant via l'utilisation de facteurs de coagulation incluant la thrombine (IIa), le facteur tissulaire (TF) et le facteur humain recombinant VIIa (rhFVIIa). Le choix de ces facteurs a été inspiré par le fait qu'ils sont déjà utilisés dans d'autres contextes cliniques et sont reconnus pour leurs effets positifs sur la guérison. Cependant, les mécanismes de solidification avec et sans facteurs de coagulation sont inconnus de même que l'effet à long terme de la présence de ces facteurs de coagulation sur la réparation du cartilage et de l'os sous-chondral.  ABSTRACT: A current aim and major challenge in orthopedic practice is to regenerate durable cartilage in focal articular lesions. Marrow stimulation procedures, such as drilling and microfracture, induce bleeding from the subchondral bone and elicit fibrous or fibrocartilaginous tissue with suboptimal biomechanical properties and durability. To stabilize the normally fragile blood clot in the cartilage lesion, our laboratory has developed a hybrid implant composed of chitosan, a cationic, adhesive and biocompatible polysaccharide. Homogenous mixtures of autologous whole blood and solutions of chitosan-glycerol phosphate (chitosan-GP) solidify normally and form clots with morphologically normal erythrocytes and structurally stable fibrous networks with chitosan and fibrin fibers. Hybrid chitosan clots resist platelet-mediated clot retraction, and remain voluminous, firm and elastic. Clinically, the hybrid chitosan clot implant solidifies within 10-15 minutes after deposition into microfracture lesions in large animals (sheep) or humans. A more rapid implant solidification could facilitate treatment of larger or more problematic lesions with curved surfaces and unconfined borders, and could also reduce the length of the surgical procedure. Indeed, for clinician ease-of-use, a faster and controlled in situ solidification is preferred prompting us to investigate whether in vivo solidification of chitosan-GP/blood can be accelerated using clotting factors including thrombin (IIa), tissue factor (TF) and recombinant human factor VIIa (rhFVIIa). The choice of these particular factors was based on their current use in other clinical contexts and their known ability to promote repair processes, which could translate their use into cartilage repair therapies involving polymer-blood implants. However chitosan-GP/blood implant solidification mechanisms with or without clotting factors were not known, nor were the long-term effect of these clotting factors on the repair outcome of cartilage and bone tissues.


identifier: Aoun, G. (2010). Anesthésie robotique : insertion automatique d'un cathéter veineux guidée par ultrasons  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: But: L'automation est un concept qui a révolutionné plusieurs domaines, allant de l'industrie automobile aux télécommunications, en passant par la médecine. Cependant, ce concept est quasi-inexistant en anesthésie. Ce projet vise à développer un système automatique pour une insertion intraveineuse d'un cathéter, et donc à déclencher l'automatisme dans le domaine de l'anesthésie. Méthodologie: Un bras robotique effectue un balayage d'une sonde ultrasonique sur un bras fantôme (contenant une veine artificielle). Cette vidéo est transférée à un ordinateur et des images fixes en sont analysées par des algorithmes Matlab. La veine est détectée et ses coordonnées sont envoyées à un second bras robotique qui positionne une aiguille et un cathéter au-dessus du point d'insertion. Résultats: Deux bras robotiques sont construits: Le premier, guidé par 6 servomoteurs, effectue un balayage d'une sonde ultrasonique sur le site veineux; et le second, guidé par 7 servomoteurs, positionne le cathéter et l'aiguille au point d'insertion, puis y insère l'aiguille en premier et le cathéter en second. L'analyse vidéo et la détection de veine sont faites à travers une interface graphique Matlab, qui utilise la transformée de Hough.  ABSTRACT: Purpose: Automation is a common concept that revolutionized multiple domains, from automobile industry to telecommunications, passing by medicine. Little automation has been introduced to the anesthesia domain. The purpose of this project is to develop an automated system for intravenous catheter insertion, and thus trigger automation use in the anesthesia domain. Methods: A robotic arm performs ultrasound scans on the venous site (a phantom arm), real-time snapshots are analyzed by Matlab algorithms, the vein is detected, and corresponding coordinates are sent to a second robotic arm that will position the catheter and needle bundle at the correct insertion point. Results: Two robotic arms were built: the first one, guided by 6 servomotors, performs automatic ultrasound scans on the venous site, and the second one, guided by 7 servomotors, positions the catheter and needle at insertion point, then inserts the needle in the vein. Analysis is performed on a Matlab graphical user interface (GUI), using Hough transform.


identifier: Aubertin, P. (2010). Conception de processeurs spécialisés pour le traitement vidéo en temps réel par filtre local  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire décrit les travaux visant à explorer les possibilités qu'offrent les processeurs à jeu d'instructions spécialisé pour des applications de vidéo numérique. Spécifiquement une classe particulière d'algorithmes de traitement vidéo est considérée: les filtres locaux. Pour cette classe d'algorithmes, une exploration architecturale a permis d'identifier un ensemble de techniques formant une approche cohérente et systématique pour la conception de processeurs spécialisés performants adaptés au traitement vidéo en temps réel.  L'approche de conception proposée vise une utilisation efficace de la bande passante vers la mémoire, laquelle bande passante constitue le goulot d'étranglement de l'application du point de vue de la vitesse de traitement. Il est possible d'approcher la performance limite imposée par ce goulot par une stratégie appropriée de réutilisation des données et en exploitant le parallélisme des données inhérent à la classe d'algorithmes visée. L'approche comporte quatre étapes: tout d'abord,  une instruction parallèle (SIMD) qui effectue le calcul de plusieurs pixels de sortie à la fois est créée. Puis, des registres à décalage permettant la réutilisation intra-ligne des pixels d'entrée sont ajoutés. Ensuite, un pipeline est créé par le découpage de l'instruction parallèle et l'ajout de registres pour les résultats intermédiaires. Finalement, les instructions spécialisées de chargement et de sauvegarde sont créées. Quelques-unes de ces étapes ouvrent la porte à des simplifications matérielles spécifiques pour certains algorithmes de la classe cible. La structure matérielle obtenue au final, alliée à la parallélisation des instructions par l'utilisation d'une architecture VLIW, se comporte d'une manière semblable à un réseau systolique pipeliné.  Afin de démontrer expérimentalement la validité de l'approche de conception proposée, sept processeurs spécialisés pour des algorithmes de la classe visée ont été conçus par extension du jeu d'instructions d'un processeur configurable à jeu d'instructions extensible. Trois de ces processeurs spécialisés mettent en œuvre autant d'algorithmes de désentrelacement intra-trames, et quatre visent plutôt la convolution 2D, différant entre eux par la taille de la fenêtre de convolution.  Les résultats de performance obtenus sont prometteurs. Pour les algorithmes de désentrelacement intra-trames, les facteurs d'accélération varient entre 95 et 1330, alors que les facteurs d'amélioration du produit temps-surface varient entre 29 et 243, tout ceci par rapport à un processeur d'usage général de référence roulant une implémentation purement logicielle de l'algorithme.  ABSTRACT: This master thesis explores the possibilities offered by Application-Specific Instruction-Set Processors (ASIP) for digital video applications, more specifically for a particular algorithm class used for video processing: local neighbourhood functions. For this algorithm class, an architectural exploration lead to the identification of a set of design techniques which, together, form a coherent and systematic approach for the design of high performance ASIPs usable for real-time video processing. The proposed design approach aims at an efficient utilization of available bandwidth to memory, which constitutes the main performance bottleneck of the application. It is possible to approach the processing speed limit imposed by this bottleneck through an appropriate data reuse strategy and by exploiting the data parallelism inherent to the target algorithm class. The design approach comprises four steps: first, a Single Instruction Multiple Data (SIMD) instruction which calculates more than one pixel in parallel is created. Then, shift registers, which are used for intra-line input pixel reuse, are added. Next, a processing pipeline is created by the addition of application-specific registers. Finally, the custom load/store instructions are created. Some of these steps lead to possible hardware simplifications for some algorithms of the target class. The hardware structure thus obtained, together with the instruction-level parallelism made possible through the use of a Very Long Instruction Word (VLIW) architecture, mimics a pipelined systolic array.  In order to demonstrate the validity of the proposed design approach experimentally, seven ASIPs have been designed by extending the instruction-set of a configurable and extensible processor. Three of the ASIPs implement intra-field deinterlacing algorithms, and four implement the 2D convolution with different kernel sizes.  The results show a significant improvement in performance. For the intra-field deinterlacing algorithms, speedup factors are between  95 and 1330, while the factors of improvement of the Area-Time (AT) product are between 29 and 243, all this compared to a pure software implementation running on a general-purpose processor. In the case of the two-dimensional convolution, speedup factors are between 36 and 80, while factors of improvement of the AT product are between 12 and 22. In all cases,  real-time processing of high definition video in the 1080i (deinterlacing) or 1080p (convolution) format is possible given a 130 nm manufacturing process.


identifier: Salami, P. (2010). Modeling Radiofrequency Heating of Embolization Coils for the Treatment of Cerebral Aneurysm  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'anévrisme intracrânien est une déformation de la paroi d'une artère du cerveau qui provoque une dilatation localisée du vaisseau sanguin. Les anévrismes non traités peuvent se déchirer et causer une hémorragie sous-arachnoïdienne (SAH) et, dans certains cas, des accidents vasculaires cérébraux. Les traitements courants sont la chirurgie et les traitements endovasculaires. Le traitement endovasculaire le plus populaire est l'embolisation à l'aide de spirales qui a été proposée par G. Guglielmi en 1991 (ces spirales sont des endoprothèses vasculaires ayant la forme arrondie d'un ressort). Cette méthode, qui est actuellement utilisée pour traiter environ 80% des anévrismes cérébraux, consiste à insérer un cathéter dans l'aorte, puis à le guider vers le vaisseau désiré de façon à insérer des spirales de platine à l'intérieur de l'anévrisme. Ces spirales induisent une coagulation puis l'obstruction de l'anévrysme. Un problème possible est que l'anévrisme ainsi traité peut se recanaliser après quelques mois pour des raisons inconnues. Bien que les mécanismes de la recanalisation demeurent incertains, l'une des hypothèses est que celle-ci provient de l'endothélium et que la dénudation endothéliale pourrait prévenir cette recanalisation. Certaines méthodes de dénudation endothéliales ont déjà été étudiées, telles que l'abrasion mécanique avec le dispositif col-pont anévrismal (aneurismal neck-bridge device, ANBD) et la cryoablation. Ces deux méthodes ont toutefois présenté des résultats non désirés. La nouvelle méthode qui est étudiée dans ce mémoire est l'ablation thermique par courant radiofréquence (radiofrequency ablation, RFA), qui a été suggérée par J. Raymond.  ABSTRACT: Cerebral aneurysm is a weakness in the wall of a cerebral artery which causes a localized dilation or ballooning of the blood vessel. Untreated aneurysms in the brain may rupture and cause subarachnoid hemorrhage (SAH) and in some cases, stroke. Treatment may be surgical or endovascular treatments. The most popular endovascular treatment is coil embolization, first introduced with controlled detachment by G. Guglielmi in 1991. This method, which is currently used to treat approximately 80% of cerebral aneurysms, consists in inserting a catheter in the aorta and then guiding it to the desired region of the cerebral vasculature to insert small platinum coils inside the aneurysm. These coils induce clotting and occlude the aneurysms. A possible problem is that the occluded aneurysm can be recanalized after some months because of unknown reasons. Though the exact mechanism responsible for recanalization remains unclear, one of the hypotheses is that recanalization is related to the endothelium and that endothelial denudation can prevent recanalization. Some methods of denudation have been previously investigated, such as mechanical abrasion with the aneurismal neck-bridge device (ANBD) and cryoablation. Both methods showed undesirable results. The new method which is investigated in this memoir is radiofrequency ablation (RFA). Based on preliminary in vivo studies, it is believed that RFA can be effective in endothelial denudation and in improving the results of coil embolization. The main objective of our project is to investigate the effects of radiofrequency current applied to an endovascular platinum coil on the temperature distribution of perianeurysmal tissues so as to optimize the energy delivery process. To achieve this goal, inductive and resistive characteristics of the embolization coils, as well as the effects of the length and shape of the electrode on the temperature distribution was investigated using a computer modeling approach. In vitro experiments were also performed to validate the computer simulations. Based on this study, we conclude that platinum coils should not be used for the direct application of RF current. A steel applicator placed in the center of the endovascular coils is more appropriate. Also, an applicator length of 6 to 10 mm is optimized for generation of a uniform temperature distribution. Finally, animal studies should be performed to further investigate this promising approach.


identifier: Memarzadeh Tehran, H. (2010). Non-Invasive Near-Field Measurement Setup Based on Modulated Scatterer Technique Applied to Microwave Tomographhy  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de cette thèse est d'aborder la conception et le développement d'un montage d'imagerie en champ proche (CP) basé sur la technique de diﬀusion modulé (TDM). La TDM est une approche bien connue et utilisée pour des applications où des mesures précises et sans perturbations sont nécessaire. Parmi les applications possibles disponibles pour la fabrication d'une sonde TDM, que ce soit électrique, optique, mécanique, le diﬀuseur optique modulé DOM a été pris en considération aﬁn de fournir des mesures quasi sans-perturbations en raison de l'invisibilité des ﬁbres optiques face aux champs radiofréquence électromagnétiques. La sonde est composée d'une puce photodiode commerciale “oﬀ-the-shelf” (dispositif non-linéaire), d'une antenne dipôle courte agissant comme diﬀuseur et un réseau d'adaptation (cir¬cuit passif). Cet dernieér améliore les propriétés de diﬀusion et augmente également la sensibilité de la sonde DOM dans la bande de fréquence pour laquelle le réseau correspondant est optimisé. Les caractéristiques de rayonnement de la sonde, y compris sa réponse de polarisation croisée et sa sensibilité omnidirectionnelle, ont été théoriquement et expérimentalement étudiés. Enﬁn, la performance et la ﬁa¬bilité de la sonde a été étudiée en comparant des mesures de distribution de champs proche avec une distribution de champs simulé. Une vitesse d'imagerie accrue a été obtenue utilisant un réseau de sondes DOM, ce qui réduit les mouvements mécaniques résultant ansi en une amélioration remarquable de la vitesse de mesure. Le couplage mutuel, le temps de commutation et l'eﬀet d'obscurité, des eﬀets qui peuvent aﬀecter les performances du réseau ont été explorés. Ensuite, les résultats obtenus par le réseau ont été validé par une imagerie CP en mesurant la distribution des champs E d'une antenne sous test (AST) et la comparant à des résultats de simulation. Une calibration et un calcul de moyenne ont été appliqués à des données brutes pour com¬penser pour les incertitudes dans la fabrication et l'interaction entre réseau/AST et réseau/antenne de réception. La plage dynamique et la linéarité de la réponse de l'imagerie CP ont été améliorées en ajoutant un circuit suppresseur de porteuse en avant de l'antenne. Le suppresseur élimine la porteuse sur laquelle aucune information n'est transmise et laisse les bandes latérales intactes.  ABSTRACT: The main focus of this thesis is to address the design and development of a near-field (NF) imaging setup based on the modulated scatterer technique (MST). MST is a well-known approach used in applications where accurate and perturbation-free mea¬surement results are necessary. Of the possible implementations available for making an MST probe, including electrical, optical and mechanical, the optically modulated scatterer OMS was considered in order to provide nearly perturbation-free measure¬ment due to the invisibility of optical fiber to the radio-frequency electromagnetic fields. The OMS probe consists of a commercial, oﬀ-the-shelf (COTS) photodiode chip (nonlinear device), a short-dipole antenna acting as a scatterer and a match¬ing network (passive circuit). The latter improves the scattering properties and also increases the sensitivity of the OMS probe within the frequency range in which the matching network is optimized. The radiation characteristics of the probe, includ-ing cross-polarization response and omnidirectional sensitivity, were both theoreti¬cally and experimentally investigated. Finally, the performance and reliability of the probe was studied by comparing measured near-field distributions on a known field distribution with simulations.  Increased imaging speed was obtained using an array of OMS probes, which re¬duces mechanical movements. Mutual-coupling, switching time and shadowing effect, which all may affect the performance of the array, were investigated. Then, the re¬sults obtained by the array were validated in a NF imager by measuring the E-field distribution of an antenna under test (AUT) and comparing it with a simulation. Cal¬ibration and data averaging were applied to raw data to compensate the probes for uncertainties in fabrication and interaction between array/AUT and array/receiving antenna.  Dynamic range and linearity of the developed NF imager was improved by adding a carrier canceller circuit to the front-end of the receiver. The canceller eliminates the carrier on which no information is transmitted and leaves the sidebands intact. This enables us to increase the amplification gain to achieve better signal-to-noise ratio (SNR) and more importantly to expand the imager's dynamic range.


identifier: Sirois, Y. (2010). Adaptation de maillages hybrides et application aux simulations d'équipements de combustion.  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le domaine de la simulation des ´ecoulements r´eactifs en milieu industriel, sp´ecifiquement pour la conception des ´equipements de combustion pour les chaudi`eres industrielles, les ressources de calculs sont limit´ees et la dur´ee du cycle de conception est tr`es courte. La taille des domaines simul´es est de l'ordre de plusieurs ´echelles audessus de la taille des ´el´ements n´ecessaires pour capturer pr´ecis´ement les ph´enom`enes reli´es `a la r´eaction chimique, tel le front de flamme. Puisque la pr´ediction des polluants associ´es `a ces ´equipements est d´ependante de la qualit´e de la solution num´erique pour plusieurs champs scalaires, la qualit´e de la discr´etisation est de la plus haute importance. La qualit´e du maillage peut ˆetre augment´ee en utilisant de l'adaptation de maillage anisotrope. Cette technique modifie le maillage de mani`ere `a minimiser l'erreur d'interpolation d'une solution ainsi que le nombre de degr´es de libert´e n´ecessaire `a une r´esolution pr´ecise du probl`eme. Les objectifs de cette th`ese par article consistent `a ´elaborer une mesure de la qualit´e des ´el´ements du maillage, qui doit ˆetre coh´erente sur tous les ´el´ements simpliciaux et non simpliciaux. Elle doit quantifier la distorsion anisotrope en taille, ´etirement et orientation par rapport `a une sp´ecification de ces quantit´es. Il est important que cette mesure soit applicable sur des maillages hybrides, puisqu'il est pr´esum´e que les simulations des ´equipements industriels utilisent des mod`eles de turbulence `a loi de parois logarithmiques dans des g´eom´etries complexes, difficiles `a mailler. Dans ces cas, le type de maillage le plus appropri´e est le maillage hybride. La mesure d´evelopp´ee doit ensuite ˆetre utilis´ee dans la construction d'une fonction coˆut et d'un algorithme d'optimisation minimisant cette fonction sur le maillage. Il est d´emontr´e, par des exemples physiques, que l'optimisation de la mesure de qualit´e sur un maillage augmente directement la pr´ecision de la solution num´erique sur celui-ci. Pour terminer, l'algorithme d´evelopp´e est appliqu´e `a un cas de combustion industrielle pour lequel il est d´emontr´e que l'algorithme d'adaptation de maillage propos´e permet d'augmenter la qualit´e de la solution des variables importantes en minimisant les  ABSTRACT: In the field of reacting flow simulations for industrial combustion equipment design, specifically for large utility boilers, computational resources are scarce and the design cycle usually short. The difference between the size of the furnaces to be simulated and the scale of the chemical reactions is of many orders of magnitude, which makes the generation of an adequate mesh to capture features such as the flame front almost impossible. Since the prediction of the pollutants generated by the designed equipment is dependent on the quality of the numerical solution for many scalar fields, the quality of the discretization is of the utmost importance. Mesh quality can be increased by using anisotropic mesh adaptation. This technique modifies the mesh so as to minimize the interpolation error and the degrees of freedom to solve the problem. The objectives of this thesis first consist of developing a measure of mesh element quality which must be coherent for simplicial and non-simplicial elements. The measure must quantify the anisotropic distortion of length, stretching and orientation with respect to a specification of those quantities. It is important that the proposed measure be applicable to hybrid meshes since it is assumed that the combustion simulations use turbulence models with logarithmic wall functions in geometries which are complicated to mesh. In those cases, the most appropriate type of mesh to use is a hybrid mesh. The measure must also be constructed in such a way that it can be used in the construction of a cost function that will be minimized in a mesh optimization algorithm. It will be also shown that the minimization of the cost function based on the proposed quality measure directly improves the solution quality, using multiple examples. Lastly, the developed algorithm is applied to a numerical combustion test case with which it is shown that the mesh adaptation process increases solution accuracy for important variables while minimizing the required computational resources.


identifier: Hounkonnou, S. M. W. (2010). Modélisation et optimisation des systèmes énergétiques à l'aide d'algorithmes évolutifs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'optimisation de centrales thermique et nucléaire a de nombreux avantages aussi bien,économiques qu'environnementaux. La recherche de nouvelles conditions de fonctionnement et l'utilisation de nouveaux moyens pour y arriver ont fait l'objet de nombreuses études. Dans ce cadre, ce projet a pour but l'optimisation de systèmes énergétiques, plus précisément de la boucle secondaire de la centrale nucléaire de Gentilly 2, en utilisant les soutirages basse et haute pression de même qu'un prélèvement du mélange provenant des générateurs de vapeur. Un modèle thermodynamique détaillé des différents équipements de la boucle secondaire, tels que les réchauffeurs d'eau d'alimentation, le système de séparateur-surchauffeur, le dégazeur, le condenseur et la turbine est réalisé. Pour y arriver le logiciel Matlab (version R2007b, 2007) avec la librairie pour les propriétés thermodynamiques de l'eau et de la vapeur (XSteam pour Matlab,Holmgren, 2006) ont été utilisés. Un modèle de la boucle secondaire est obtenu grâce à l'assemblage des différents équipements. Une simulation des équipements et du cycle complet de la boucle nous a permis de dégager deux fonctions objectifs à savoir le rendement et la puissance nette qui évoluent de manière opposée en fonction de la variation des différents soutirages. Pour l'optimisation, compte tenu de la complexité du problème, nous avons utilisés une méthode basée sur les algorithmes génétiques. Plus précisément nous avons utilisé un outil qui a été développé à l'institut de génie nucléaire appelé BEST (“Boundary Exploration Search Technique”) développé en VBA* (“Visual Basic for Application”) pour sa particularité à converger plus rapidement et à effectuer une recherche plus exhaustive à la frontière des solutions optimales. L'utilisation du protocole DDE (“Dynamic Data Exchange”) nous a permis de coupler le simulateur et l'optimiseur. Les résultats obtenus nous montrent qu'ils existent plusieurs combinaisons possibles de soutirages qui permettent d'obtenir un meilleur point de fonctionnement pour l'amélioration de la performance de la boucle secondaire de la centrale de Gentilly 2.  ABSTRACT: Optimization of thermal and nuclear plant has many economics advantages as well as environmentals. Therefore new operating points research and use of new tools to achieve those kind of optimization are the subject of many studies. In this momentum, this project is intended to optimize energetic systems precisely the secondary loop of Gentilly 2 nuclear plant using both the extraction of the high and low pressure turbine as well as the extraction of the mixture coming from the steam generator. A detailed thermodynamic model of the various equipment of the secondary loop such as the feed water heaters, the moisture separator-reheater, the dearator, the condenser and the turbine is carried out. We use Matlab software (version R2007b, 2007) with the library for the thermodynamic properties of water and steam (XSteam pour Matlab, Holmgren, 2006). A model of the secondary loop is than obtained thanks to the assembly of the different equipments. A simulation of the equipment and the complete cycle enabled us to release two objectifs functions knowing as the net output and the efficiency which evolve in an opposite way according to the variation of the extractions. Due to the complexity of the problem, we use a method based on the genetic algorithms for the optimization. More precisely we used a tool which was developed at the “Institut de genie nucléaire” named BEST (Boundary Exploration Search Technique) developed in VBA* (Visual BASIC for Application) for its ability to converge more quickly and to carry out a more exhaustive search at the border of the optimal solutions. The use of the DDE (Dynamic Data Exchange) enables us to link the simulator and the optimizer. The results obtained show us that they still exists several combinations of extractions which make it possible to obtain a better point of operation for the improvement of the performance of Gentilly 2 power station secondary loop.


identifier: Rotaba, Z. (2010). Essays into the evolution of systems of innovation: a comparative\phylogenetic tree approach  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours de la dernière décennie, la littérature sur l'innovation a consacré une attention particulière au secteur de la Haute Technologie (HT). Une telle attention est principalement attribuable au rôle essentiel de la HT afin de contribuer à la croissance économique, à la construction de nouvelles économies et à l'amélioration du bien-être des sociétés. Cette attention croissante en faveur de la HT, a poussé une partie considérable de la littérature sur l'innovation de la traditionnelle basse et moyenne technologie (‘Low Medium Techs' ou LMT). Cet écart au sein de la littérature a attiré l'attention des chercheurs en innovation qui soulignent actuellement le rôle important que le secteur des LMT joue pour pousser la croissance économique et gérer le taux de chômage présentement en augmentation. Cette tentative d'amener une prise de conscience des secteurs universitaire, industriel et financier ne peut pas être isolé du système national d'innovation où ces secteurs sont positionnés.  En ajoutant une dimension supranationale, on note qu'une proportion considérable des activités LMT est actuellement en processus de migration des économies avancées vers les économies en phase de rattrapage. Ce travail de recherche vise à valider trois hypothèses principales. La première traite de la maturité du secteur des HT vis à vis celui des LMT à savoir si nous assistons actuellement à une phase de renouvellement et de transformation suivant la trajectoire du secteur de l'électronique. La seconde porte sur les économies où ces secteurs sont situés, et vise à vérifier si le positionnement dans une économie particulière joue un rôle au niveau de l'innovation du secteur industriel. La troisième hypothèse évalue la faisabilité d'une approche par arbre phylogénétique pour classer les entreprises dans les systèmes d'innovation (secteurs HT et LMT, économies avancées et en phase de rattrapage) et pour vérifier si l'évolution des meilleures pratiques au sein de ces systèmes est réalisable. Les résultats soutiennent l'hypothèse que les secteurs des HT et des LMT subit un renouvellement sectoriels et une phase de transformation. En outre, puisque les HT et LMT sont des secteurs complémentaires, il est logique de penser que les économies qui excellent dans l'un des secteurs doivent aussi exceller dans l'autre aussi. Ce travail de recherche prouve que si cela est vrai pour les économies en rattrapage, ce ne l'est cependant pas dans le cas des économies avancées. Ces résultats sont aussi validés en utilisant une approche par arbre phylogénétique.  ABSTRACT: In the past decade, the innovation literature has a dedicated special attention to the High Technology (HT) sector. Such an attention was primarily due to the critical role high techs play to foster economic growth, building new economies, and enhancing the well being of societies. This increasing attention has pushed a considerable part of the innovation literature from the traditional Low, Medium Technology (LMT) sectors towards high tech (HT) sectors. This deviation in the literature has caught the eye of innovation scholars who are currently highlighting the important role that LMT plays to increase economic growth and manage the currently increasing unemployment rates. This attempt to increase the awareness of the academic, industrial and financial sectors to the importance LMT cannot be isolated from the national system of innovation in which those sectors are positioned. Adding a supranational dimension, it is witnessed that a considerable proportion of LMT activities are currently migrating from leading to catching-up economies. This research work targets three main hypotheses. The first addresses the HT sector maturity and whether we are currently witnessing a renewal and transformation phase, following the trajectory of the electronics sector. The second addressed the economies where those sectors are located. In other words, it assesses whether the innovation strategic context for LMT in leading economies will be as advanced as its HT sector. This level should be similar as well in catching up economies, but with a lesser magnitude then in leading economies. The third hypothesis will assess the feasibility of a phylogenetic tree approach to classify firms within systems of innovation (HT, LMT, Leading and Catching ups) and whether the inference of the evolution of the best practices within these systems is achievable. The results support the hypothesis that HT and LMT are going through a sectoral renewal and transformation phase. Furthermore, since HT and LMT are complementary sectors, it is predominantly argued that economies excelling in one of the sectors should excel in the other as well. This research work proves that while this is true in catching up economies, it is not however in the case of leading economies. These results were to a great extent validated by using a phylogenetic tree approach.


identifier: Bisson, M. (2010). Système de visualisation pour l'assistance des chirurgies minimalement invasives du rachis  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose est une déformation tridimensionnelle complexe de la colonne vertébrale qui peut nécessiter un traitement chirurgical. Les chirurgies minimalement invasives, par opposition aux chirurgies conventionnelles, sont réalisées en pratiquant de petites incisions par lesquelles les instruments chirurgicaux et une caméra endoscopique peuvent être introduits à l'intérieur du corps. Ce type de chirurgie possède de nombreux avantages reconnus, notamment une réduction du volume de perte sanguine, de la douleur postopératoire, du séjour aux soins intensifs, du séjour à l'hôpital, des complications, du temps de convalescence et du coût total du traitement. Par contre, il amène de nouveaux défis pour les chirurgiens. La visualisation du site opératoire est faite de manière indirecte via un moniteur présentant les images provenant de la caméra endoscopique, ce qui peut s'avérer désorientant. Comme cette vue est monoculaire et que la lentille de la caméra est très près du site opératoire, la perception de la profondeur est perdue. Cette proximité de la lentille entraîne également une perte de la perception de la forme globale de la colonne entière, puisque seule une petite partie est visible à la fois. Ces difficultés font des chirurgies minimalement invasives des procédures très complexes, spécialement dans le cas de chirurgies de la colonne vertébrale, où de nombreux organes critiques sont situés à proximité du site opératoire. Des systèmes d'assistance chirurgicale guidés par l'image sont de plus en plus disponibles dans différents domaines tels que la cardiologie, la neurologie et l'orthopédie. Pour les chirurgies de la colonne, on a souvent recours à des modalités d'imagerie intra-opératoires ionisantes comme la tomodensitométrie ou la fluoroscopie qui impliquent des radiations à la fois pour le patient et pour l'équipe chirurgicale. Aussi, ces systèmes sont généralement conçus pour les chirurgies conventionnelles qui impliquent de grandes incisions, ce qui facilite l'accès aux structures d'intérêt. Ainsi, des marqueurs métalliques peuvent être vissés sur les niveaux vertébraux d'intérêt, ce qui constitue une procédure invasive difficilement praticable dans le contexte minimalement invasif. Certaines approches récentes d'assistance de chirurgies minimalement invasives tentent de fournir des indices de profondeur au chirurgien uniquement à partir du contenu des images endoscopiques. Les méthodes utilisant un endoscope stéréoscopique produisent des résultats mitigés à cause de la faible disparité entre les deux vues acquises et des complications de mise en correspondance de primitives sur les deux vues entraînées par la présence de fumée, de sang et de réflexions spéculaires. Dans le même ordre d'idée, les approches basées sur les algorithmes de structure à partir de l'ombrage produisent à ce jour des résultats acceptables dans des environnements contrôlés, mais ne performent pas aussi bien avec des images réelles. L'objectif de ce projet de recherche est donc de proposer un outil de visualisation 3D pour l'assistance des chirurgies minimalement invasives de la colonne vertébrale. Cet outil réalise la fusion multimodale des images provenant de la caméra endoscopique et d'un modèle 3D préopératoire obtenu par IRM ayant été préalablement segmenté puis recalé dans un repère lié au site opératoire, présentant ainsi au chirurgien davantage d'information que celle présente dans les images endoscopiques seules.  ABSTRACT: Scoliosis is a complex three-dimensional deformity of the spine that may require surgical treatment. Minimally invasive surgeries, as opposed to conventional surgeries, are done by performing small incisions through which surgical instruments and an endoscopic camera can be inserted within the body. This type of surgery offers numerous known benefits, such as reduction of blood loss, of post-surgery pain, of intensive care unit and hospital stay lengths, of complications, of recovery time and of overall treatment costs. However, it brings new challenges for surgeons. Indirect visualization of surgical sites via a monitor that shows images from the endoscopic camera can be disorienting. Depth perception is lost as the view is monocular and the camera lens is very close to the surgical site. This lens proximity also causes a loss in perception of the global spine shape since only a small part of it is visible at one time. These difficulties make minimally invasive surgeries very complex procedures, especially in the case of spine surgeries, where several critical organs are located near the surgical site. Image-guided surgical assistance tools are increasingly available in various fields such as cardiology, neurology and orthopaedics. For spine surgeries, ionizing imaging modalities such as computed tomography or fluoroscopy, involving radiation for both the patient and the surgical team, are often used. These surgical navigation systems are also generally designed for conventional surgeries requiring long incisions to facilitate access to targeted structures. Thus, metal markers can be screwed into specific vertebral levels, a procedure that is both invasive and hard to perform in a minimally invasive context. Recent minimally invasive surgical assistance approaches try to provide depth cues to the surgeon using only the content of endoscopic images. Methods using a stereoscopic endoscope give unsatisfactory results due to the weak disparity between the two acquired views and to the complexity of feature matching in the two views, caused by the presence of smoke, blood and specular reflections. By the same token, approaches based on shape-from-shading algorithms give, to date, acceptable results in controlled environments but do not perform as well with real images. Hence, this research project's objective is to propose a 3D visualization tool for minimally invasive spine surgery assistance. This tool realizes multimodal fusion of the images acquired from the endoscopic camera with a preoperative 3D model acquired by MRI that has been previously segmented and then registered in a coordinate system linked to the surgical site, in order to display more information than what is available in the endoscopic images alone.


identifier: Li, W. R. (2010). Radio-Frequency Signal Synthesis and Digital Signal Processing Technique for Software Defined Radar System  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cet ouvrage présente de façon concise l'exécution autonome d'un système économique de radar défini par logiciel, basé sur le design de Ph D. Hui Zhang. L'un des objectifs de cette mise en œuvre est la réalisation d'une version planaire miniaturisée d'un système de radar en utilisant la technique planaire du « guide d'onde intégré au substrat »(GIS). Le rôle du système de radar défini par logiciel est de mesurer la vitesse, la portée et l'angle d'une cible à l'aide d'un appareil de radar planaire. Afin de mesurer ces paramètres, ce système de radar défini par logiciel combine deux types de fonctions incluant «l'onde continue à modulation fréquentielle » (OCMF) et « l'onde continue » (OC) dont l'aiguillage entre elles est contrôlé par un logiciel via un micro-processeur. Le synthétiseur de fréquence est démarré par un DDS qui peux générer un signal flexible comme OC et OCMF, et puis un PLL est utilisé pour augmenter la fréquence du signal DDS. À la sortie de DDS et PLL, un transmetteur est installé ayant pour rôle d'effectuer une nouvelle mise à niveau du signal avant de le transmettre à une antenne GIS. Avec une antenne GIS planaire ayant un gain élevé et une taille réduite, l'onde électromagnétique (OEM) est rayonnée dans un angle étroit.  Après que la cible rencontrée réfléchit l'OEM, l'antenne réceptrice à deux canaux reçoit le signal réfléchi et le transfère au récepteur. Selon l'Effet Doppler, la mesure de vitesse est effectuée par CO et ensuite, la portée est mesurée par FMCW. Finalement, ce radar obtient l'angle mesuré par la différence de phases entre les deux canaux d'antenne. Le sous-ensemble suivant le récepteur est le système de traitement numérique du signal avec un convertisseur analogique-numérique (ADC en anglais). Ce ADC échantillonne le signal analogique avec une fréquence de 82KHz et une résolution de 8bit. Puis, un calcul FFT est effectué sur les données de formes d'ondes venant des deux canaux et l'information de la fréquence est cueillie sur la cible.  Finalement, quelques algorithmes sont exécutés pour avoir la vitesse, la portée et l'information de l'angle de la cible.  ABSTRACT: This work presents a complete hardware and standalone implementation of a cost-effective software-defined radar system based on the architecture proposed during the thesis work of Hui Zhang, a former Ph.D. student.  One objective of this implementation is to realize the planarization and miniaturization of such a radar system by deploying the substrate integrated waveguide (SIW) technology.  The requirement of software-defined radar systems is to measure the speed, range and angle of a target by an integrated planar circuit platform.  In order to satisfy this requirement, this developed software-defined radar system combines two functions, namely, frequency modulated continuous wave (FMCW) and continuous wave (CW), and the switching between them is controlled by software running in a micro-processor.  In our implementation, the frequency synthesizer is configured by a direct digital synthesizer (DDS) which can flexibly generate various signals such as CW and FMCW.  In addition, a phase-locked loop (PLL) is used to up-convert the signal from DDS to an upper frequency platform.  Subsequently, the generated high frequency signal is transmitted by a power amplifier and radiated by an SIW antenna.  Electromagnetic waves (EMW) are radiated in a narrow angle range thanks to attractive characteristics of the SIW antenna such as high gain, small size, and planar implementation.  Echoed by the target, the EMW are received by two receiving antennas and then they are sent to a receiver front-end.  According to the use of Doppler Effect, the speed measurement is accomplished by using the CW waveform while the range is measured by the FMCW waveform. Moreover, the presented radar system yields the angle measured by using a phase difference between the two receiving channels.  The subsystem following the receiver is the digital signal processing unit with an analog digital converter (ADC) as the interface between the analog and the digital parts.  The ADC samples the analog signal with a rate of 80 kHz and a resolution of 8 bit.  Then FFT calculations are carried out to generate the waveform data from both channels and, the frequency information about the target is found from which the speed, range and angle information of the target can be obtained.


identifier: Imbeault-Tétreault, H. (2010). Propagation analytique de l'incertitude à travers le calcul matriciel d'une analyse du cycle de vie  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'analyse du cycle de vie (ACV) est une des méthodes évaluant les dommages potentiels à l'environnement causés par un produit, service ou procédé sur tout son cycle de vie. Celui-ci est composé de l'extraction et de la transformation des matières premières, la fabrication, la distribution, l'utilisation et l'élimination en fin de vie du produit. Définie par la norme ISO 14040, cette méthode permet de comparer des scénarios différents afin de déterminer leurs points faibles sur le plan environnemental et de déterminer lequel cause le moins de dommages à la nature. En considérant tout le cycle de vie, on évite le déplacement d'impacts d'une étape à l'autre de celui-ci. Par son caractère comparatif, l'ACV peut servir d'outil décisionnel quand la protection de l'environnement est un critère considéré, que ce soit pour l'adoption d'un nouveau procédé sidérurgique ou bien le choix d'un type d'ampoule à la quincaillerie. Cependant, les données et les modèles utilisés pour effectuer des ACV contiennent de l'incertitude. Par exemple, il n'est pas possible de déterminer la quantité précise de carburant fossile utilisé dans la fabrication d'un crayon. Il n'est pas non plus possible de savoir où a été extrait le pétrole raffiné que l'on brûle dans une voiture. Ceci implique que les résultats sont eux aussi incertains. La quantification de cette incertitude est primordiale tout au long de la réalisation d'une ACV afin de la minimiser. À défaut d'obtenir des résultats précis, une analyse de l'incertitude permet d'envisager des améliorations futures et de juger de la qualité des données d'incertitude, puisqu'une mauvaise quantification de l'incertitude peut mener à une interprétation erronée des résultats. Il est donc impératif de gérer cette incertitude lors de la réalisation d'ACV et de communiquer les informations s'y rattachant. Or, l'évaluation de l'incertitude n'est pas une pratique systématique dans le domaine de l'ACV (Ross et al., 2002). Il existe plusieurs méthodes de gestion d'incertitude appliquées à l'ACV. La méthode statistique de simulation Monte Carlo est la plus répandue pour suivre la propagation de l'incertitude des paramètres à travers les calculs. Elle consiste à calculer des milliers de fois la valeur dont on veut évaluer l'incertitude avec des paramètres variant aléatoirement d'une fois à l'autre selon leur distribution de probabilité. On obtient ainsi la densité de probabilité du résultat final. Bien que très utile, cette méthode possède des inconvénients : elle est gourmande en puissance de calcul et il peut être difficile de déterminer la distribution de probabilité des données (Rosenbaum, 2006). Une autre façon d'évaluer l'incertitude est le développement de Taylor (Morgan et Henrion, 1990). En posant les hypothèses nécessaires sur les paramètres (distribution log-normale, linéarité et indépendance), on détermine la variance du résultat en fonction de la variance des données et de leur dérivée. Cette méthode analytique permet avec les mêmes variables de calculer la sensibilité des données, c'est-à-dire la variation relative induite dans un résultat par la variation relative d'une donnée. La méthode analytique a déjà été abordée dans un contexte d'ACV par quelques auteurs (Ciroth et al., 2004; Hong et al., 2010), mais ne l'a jamais été à l'aide d'une étude de cas complète ni sur le calcul ACV matriciel.  ABSTRACT: Life cycle assessment (LCA) is an environmental impact evaluation method covering the entire life cycle of an object, a service or a process. Life cycle steps include resources extraction and transformation, manufacturing, transport, use and end of life. Defined by the ISO 14040 norm, this method can compare different scenarios around the same function in order to determine which has the least damage on the environment. By considering the whole life cycle, impact displacements from one step to another are avoided and the environmental hot spots are identified. LCA being a comparative method, it can be use as a tool among decision makers or simply for the consumer. However, LCA data and models contain considerable uncertainty. For example, it is not possible to know the exact amount of oil burned in the life cycle of a pen. Consequently, this uncertainty will cause uncertainty in the LCA impact scores. The quantification of this uncertainty during every step of an LCA is crucial in order to reduce it. An uncertainty analysis also characterizes the quality of the uncertainty which is also important because a bad quantification of uncertainty can lead to a misleading interpretation. However, uncertainty analysis in LCA is not a common practice (Ross et al., 2002). Many ways of calculating uncertainty on a result exist. The current practice to propagate input parameter uncertainty through the calculation and obtain the uncertainty of the impact scores is a probabilistic method called Monte Carlo simulation (Lloyd et Ries, 2007). It consists of calculating many times the impact scores with different inputs determined by their previously specified probability distribution. Considering an inventory can count thousands of inputs, one simulation can take a few hours for minimal accuracy. Hence, this method is resource intensive while uncertainty assessment is not a common step in LCA. Other methods of uncertainty propagation has been studied: interval calculation (Chevalier et Téno, 1996), fuzzy logic (Benetto et al., 2008) and analytical calculation (Heijungs et al., 2005). The latter is treated in this project as an alternative to Monte Carlo simulation. The basic form of analytical uncertainty calculation is the first order Taylor approximation.


identifier: Esmaeil-Zadeh-Azar, F. (2010). An Efficient Global Optimization Method Based on Multi-Unit Extremum Seeking  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les problèmes d'optimisation industrielle, telle que la maximisation de la production de produits chimiques et pétrochimiques, montrent généralement plusieurs points optimaux locaux. Le développement de méthode pour la sélection du point optimal global a toujours fait l'objet de nombreuses recherches. Plusieurs techniques déterministes et stochastiques ont été explorées à cette fin. Les techniques stochastiques ne garantissent pas toujours la convergence vers la solution globale, mais sont efficaces pour les dimensions supérieures. D'autre part, les méthodes déterministes se rendent à l'optimum global, mais le défi est d'employer un cloisonnement efficace de l'espace afin de réduire le nombre d'évaluations fonctionnelles. Cette thèse propose une approche originale en matière d'optimisation globale, numérique et déterministe basée sur des techniques d'optimisation locale en temps réel et en particulier, sur des techniques sans modèle appelé les systèmes de commande extrémale. Pour les problèmes sans contrainte, les systèmes de commande extrémale représente le problème d'optimisation comme un contrôle du gradient. La façon dont le gradient est estimé constitue la différence principale entre les différentes alternatives qui sont proposées dans la littérature scientifique. Pour les méthodes de perturbation, un signal d'excitation temporelle est utilisé afin de calculer le gradient. Une alternative existe dans le cadre d'optimisation multi-unité où le gradient est estimé par la différence finie de la sortie de deux unités identiques, mais dont les données d'entré se distinguent par un décalage. Le point de départ de cette recherche a été motivée par les systèmes de commandes extrémales locales. Ces commandes sont basées sur une perturbation qui peut être utilisée comme un outil pour l'optimisation globale des polynômes scalaires du quatrième ordre avec un optimum global. L'objectif de cette thèse est d'étendre ce concept et de développer une technique d'optimisation globale déterministe pour une classe générale de systèmes multi-variables, statiques, non linéaires et continus. Dans cette thèse, il est d'abord démontré que si le décalage est réduit à zéro pour une optimisation multi-unité scalaire, le système converge vers l'optimum global. Le résultat est également étendu aux problèmes scalaires avec contraintes qui sont caractérisés par des régions non-convexes. Dans ce cas, une stratégie de commande de “Switching” est utilisée pour faire face aux contraintes.  ABSTRACT: Industrial optimization problems, e.g., maximizing production in chemical and petrochemical facilities, typically exhibit multiple local optimal points and so choosing the global one has always attracted many researchers. Many deterministic and stochastic techniques have been explored towards this end. The stochastic techniques do not always guarantee convergence to the global solution, but fare well computationally for higher dimensions. On the other hand, the deterministic methods get to the global optimum, while the challenge therein is to employ an efficient partitioning of the space in order to reduce the number of functional evaluations. This thesis proposes an original approach to numerical deterministic global optimization based on real-time local optimization techniques (in particular, model-free techniques termed the extremum-seeking schemes). For unconstrained problems, extremum-seeking schemes recast the optimization problem as the control of the gradient. The way the gradient is estimated forms the main difference between different alternatives that are proposed in the literature. In perturbation methods, a temporal excitation signal is used in order to compute the gradient. As an alternative, in the multi-unit optimization framework, the gradient is estimated as the finite difference of the outputs of two identical units driven with the inputs that differ by an offset. The starting point of this research was motivated by the perturbation-based extremum seeking schemes which can be used as a tool for global optimization of scalar fourth order polynomials, with one local and one global optimum. The objective of this thesis is to extend this concept and develop a deterministic global optimization technique for a general class of multi-variable, static, nonlinear and continuous systems. In this thesis, it is first shown that in the scalar multi-unit optimization framework, if the offset is reduced to zero, the scheme converges to the global optimum. The result is also extended to scalar constrained problems, with possible non-convex feasible regions, where a switching control strategy is employed to deal with the constraints. The next step consists of extending the algorithm to more than one variable. For two-input systems, univariate global optimization was repeated on the circumference of a circle of reducing radius. With three variables, the two-variable optimization mentioned above is repeated on the surface of a sphere of reducing radius. Time-scale separation between the various layers


identifier: Côté, M. (2010). Simulateur collaboratif de chirurgie d'instrumentation du rachis scoliotique en réalité virtuelle avec interface haptique logicielle  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale qui nécessite, dans les cas graves, une intervention chirurgicale invasive et très délicate visant à redresser la colonne. Les outils disponibles pour l'entraînement des médecins, tels que les cadavres et les rachis synthétiques, présentent des inconvénients majeurs : les jeunes cadavres disponibles atteints de scoliose se font rares; le réalisme du comportement biomécanique est questionnable; ces deux types d'outils ne peuvent être réutilisés; ils ne représentent pas toute la variété des cas scoliotiques. Les technologies de la réalité virtuelle et les simulations numériques peuvent offrir des solutions pour contourner ces inconvénients. Afin d'aborder cette problématique, l'objectif général de la recherche a consisté à élaborer un prototype logiciel de simulateur collaboratif de chirurgie d'instrumentation du rachis scoliotique en réalité virtuelle incluant un retour d'effort logiciel pour les manoeuvres correctrices principales de la chirurgie, offrant ainsi un outil d'entraînement et d'apprentissage alternatif aux outils traditionnels. Ce projet est entré dans la continuité des travaux de recherche d'étudiants et d'associés de recherche de la Chaire de recherche industrielle CRSNG/Medtronic en biomécanique de la colonne vertébrale, et s'est distingué principalement par la mise en place de l'aspect collaboratif pour un contexte d'entraînement réaliste avec des participants distants, ainsi que le développement et l'évaluation d'une interface haptique logicielle. La revue bibliographique a suggéré que la chirurgie orthopédique ne semble pas encore bénéficier du potentiel offert par la réalité virtuelle et les interfaces haptiques quant à la simulation et à l'entraînement virtuel autant que d'autres types de chirurgies. La plupart des chirurgies pour lesquelles des simulateurs ont été développés impliquent des organes démontrant une certaine compliance, un espace de travail relativement restreint et des forces de faibles amplitudes, pouvant être simulées à l'aide de systèmes haptiques commerciaux génériques. Au contraire, la chirurgie d'instrumentation du rachis scoliotique nécessite l'application d'efforts de grande amplitude pour des mouvements relativement lents à peu de degrés de liberté, requérant un système haptique spécifique. De plus, les modèles physiques, bien que plus complexes et lourds en termes de temps de calculs que les modèles géométriques, sont nécessaires à l'obtention d'une expérience haptique réaliste. À la lumière de ces observations, nous avons émis deux hypothèses de recherche. La première hypothèse supposait que les principales manoeuvres correctrices effectuées lors d'une chirurgie d'instrumentation du rachis scoliotique peuvent être modélisées et simulées en réalité virtuelle immersive à l'aide d'une interface haptique logicielle et d'un modèle biomécanique personnalisé à ±15 % des valeurs d'efforts réelles telles que perçues par des chirurgiens experts. La seconde hypothèse supposait qu'une boucle de rendu haptique multifréquence, basée sur un algorithme de prédiction / correction, permettra d'atteindre la fréquence minimale requise (1000 Hz) pour un retour d'effort fonctionnel dans un contexte d'entraînement réaliste.  ABSTRACT: Scoliosis is a three-dimensional deformation of the spine requiring, in severe cases, a highly delicate and invasive surgical operation to correct the spinal deformities. Available tools for surgical training, such as cadavers and synthetic spines, have major drawbacks: limited availability of young cadaveric spines with scoliosis; questionable behaviour realism; destruction after first use; limited variability in scoliotic cases for training. Virtual reality technologies and computer simulations can offer solutions to these drawbacks. To address this problem, the general objective of this research consisted in elaborating the software prototype of a collaborative virtual reality scoliosis instrumentation surgery simulator, including force feedback for the main corrective surgical manoeuvres, as an alternative training and learning tool. This project has been a continuation of previous work from graduate students and research associates of the NSERC/Medtronic Industrial Research Chair in Spine Biomechanics, and focused on setting up and testing the collaborative aspect for a realistic training context with remote participants, as well as developing and evaluating a software haptic interface. The literature review suggested that orthopaedic surgery does not seem to benefit from virtual reality technologies and haptic interfaces regarding simulation and virtual training as much as other types of surgeries. Most surgeries for which simulators have been developed involve organs with a certain compliance, a relatively confined workspace and “delicate” forces, and can be simulated with generic commercial haptic devices. On the contrary, scoliosis instrumentation surgery involves the application of high forces through moderately slow and of few degrees of freedom movements, requiring a haptic device specific to scoliosis surgery. Also, physical models, although more complex and computationally expensive than geometric models, are necessary for a realistic haptic experience. In light of these observations, we stated two hypotheses. The first hypothesis was that the main corrective manoeuvres of scoliosis instrumentation surgery can be modeled and simulated in immersive virtual reality with a software haptic interface and a patient-specific biomechanical model at ±15 % of the actual force values as perceived by expert surgeons. The second hypothesis was that a multirate haptic rendering loop, based on a prediction / correction algorithm, will achieve the minimal required update rate (1000 Hz) for a functional force feedback in a realistic training context.


identifier: Gendreau, O. (2010). Caractérisation de projets de développement logiciel dans une perspective de flux de connaissances  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Face aux ratés auxquelles fait face l'industrie du développement logiciel et l'incapacité des différentes approches de processus logiciels à régler ces problèmes, il s‘avère intéressant de se baser, d‘une part, sur les acquis du domaine des processus logiciels et, d‘autre part, de s‘inspirer des innovations de domaines connexes. En particulier, la gestion des connaissances appliquée au génie logiciel est un sujet présentement en émergence. Une meilleure compréhension des mécanismes de création et de conversion de connaissances au sein d'un projet de développement logiciel est une avenue de recherche prometteuse. L'objectif principal de cette thèse de doctorat est donc de caractériser les projets de développement logiciel dans une perspective de flux de connaissances. Cette thèse par articles propose d'atteindre l'objectif de recherche par la présentation de trois articles en plus d'un chapitre détaillant des résultats complémentaires. Le premier article présente et justifie la méthodologie utilisée dans le cadre des travaux de recherche de cette thèse. Plus précisément, l'article détaille la méthodologie ATS (activity time slip), une approche à partir de laquelle des développeurs logiciels doivent enregistrer leurs activités dans une perspective de connaissances. Les données recueillies sont ensuite codifiées selon le modèle de flux de connaissances, qui est inspiré du modèle de création de connaissances de Nonaka & Takeuchi (1995) et qui définit six facteurs cognitifs dans le cadre d'un projet de développement logiciel: l'acquisition, la cristallisation, la validation, la réalisation, la vérification et l'organisation du travail. Une étude de cas multiples est présentée, afin de démontrer l'originalité et la pertinence de la méthodologie proposée. Le second article présente l'utilisation du modèle de flux de connaissances, dans le cadre d'une étude de cas, afin d'analyser les conséquences de la qualité de la documentation lors de la réutilisation de composants FLOSS (free/libre open source software). L'analyse de l'étude de cas permet de déterminer les conséquences négatives d'une documentation inadéquate sur le flux de connaissances au sein d'un projet de développement logiciel. Le troisième article vise à comprendre les mécanismes menant aux divergences observées entre la conception et l'implémentation d'un projet de développement logiciel. L'utilisation de la méthodologie ATS et du modèle de flux de connaissances facilite l'analyse de l'étude de cas. Ainsi, les discordances entre les artefacts de conception et l'implémentation s'expliquent par le fait que la conception n'est qu'une image de possibilités. Les résultats de recherche complémentaires permettent de caractériser trois projets intégrateurs de développement logiciel, à la manière d'une étude de cas multiples de type exploratoire reposant sur la méthodologie ATS et la modélisation par flux de connaissances. Ainsi, l'analyse des jetons d'activité (ATS) permet de porter un jugement sur la rigueur des développeurs et donc sur la fiabilité des jetons, selon les trois profils identifiés. De plus, les facteurs cognitifs sont caractérisés selon leur caractère individuel et participatif. Par ailleurs, le séquencement cognitif permet l'identification de quatre profils de développeurs: le cristallisateur, le codeur, le polyvalent et l'agent libre. Finalement, une forte corrélation a été observée entre un effort d'acquisition élevé et une productivité du code source faible, ce qui constitue une contribution majeure, de par son originalité et ses conséquences théoriques et pratiques.  ABSTRACT: Given the failures faced by the software development industry and the inability of different software process approaches to solve these problems, it is interesting to rely, on the one hand, on achievements in the software process field and, on the other hand, learn from innovations in related fields. In particular, knowledge management applied to software engineering is a subject currently emerging. A better understanding of knowledge creation and conversion's mechanisms in software development projects is promising. The main objective of this thesis is to characterize software development projects from a knowledge flow perspective. This doctoral thesis intends to achieve the research goal by presenting three papers and additional complementary results. The first paper presents and justifies the methodology used in this thesis. The paper details the ATS (activity time slip) methodology, where software developers must log their activities from a knowledge perspective. Data are then codified based on the knowledge flow model, which is related to Nonaka and Takeuchi‘s (1995) knowledge creation model and which defines six cognitive factors: acquisition, crystallization, validation, implementation, verification and work organization. A multiple case study is presented to demonstrate the originality and relevance of the proposed methodology. The second paper presents a case study using the knowledge flow model to analyze the consequences of documentation quality in FLOSS components reuse. The case study's analysis allows the identification of negative consequences on a software development project's knowledge flow resulting from inadequate documentation. The third paper focuses on understanding the mechanisms leading to discrepancies between design and implementation in a software development project. The use of the ATS methodology and the knowledge flow model facilitates the case study's analysis. The discrepancies between design artifacts and implementation can be explained by the fact that design is an image of possibilities. Complementary research results allow the characterization of three software development capstone projects by means of an exploratory multiple case study based on the ATS methodology and the knowledge flow model. The analysis of the activity time slips (ATS) allows to judge the developers' rigor and therefore the reliability of their activity time slips, according to three identified patterns. Also, cognitive factors are characterized from a individual and participative viewpoint. Furthermore, cognitive sequencing allows the identification of four developers profiles: the crystallizer, the coder, the "versatile", and the free agent. Moreover, a strong correlation was observed between high acquisition effort and low source code productivity, which is a major contribution, because of its theoretical and practical implications.


identifier: Djoumessi, É. E. (2010). Conception de circuits micro-ondes multi-bandes et à fréquences agiles pour la réalisation de systèmes sans fil reconfigurables  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les travaux effectués dans cette thèse sont centrés sur la conception et la réalisation de composantes et d'un système récepteur complet Radio Fréquence (RF) et Micro-onde qui possèdent des caractéristiques multifonctionnelles telles que des bandes de fréquences d'opération multiples et reconfigurables par l'utilisation des diodes varactors semi-conducteurs ou des matériaux ferroélectrique (BST) contrôlés par des tensions électriques. Dans la première partie de cette thèse, une méthode de mesure simple et rapide est développée et utilisée pour extraire la perte tangentielle et la constante diélectrique du matériel ferroélectrique (BST) à partir de mesures de capacités interdigitales BST.  Un modèle électrique de la capacité BST est aussi obtenu à différentes tensions de polarisation du BST, afin de représenter ainsi la variation des pertes résistives et le pourcentage d'accordabilité de la capacitance par rapport à la tension de polarisation.  De façon globale, les capacités interdigitales BST caractérisées présentent une accordabilité capacitive de 52% pour une tension appliquée variant de 0 à 25 volts. Dans le but de concevoir un démodulateur frontal six-port reconfigurable, deux coupleurs hybrides quadrature multi bande accordables contrôlés par une tenson à l'aide de diode varactor et par des capacités ferroélectriques (BST) sont caractérisés et comparés dans la seconde partie de cette thèse.  Les deux structures sont composées de quatre sections de ligne de transmission microruban d'un quart de longueur d'onde à une fréquence centrale entre les deux fréquences d'opérations, et de deux paires de lignes de transmission ouvertes connectées en parallèle.  ABSTRACT: The research work in this thesis concerned with the design and realization of radio frequency (RF) and microwave components, and a complete receiver system, with multiple functionality such as multi-bands and reconfigurable operation frequencies bands based on standard silicon or ferroelectric (BST – barium strontium-titanate) varactors. In the first part of this thesis, a simple and fast measurement technique is developed to extract BST loss tangent and dielectric constant through an interdigital BST capacitor.  Also, the electrical model obtained for the BST capacitor presents features of resistive loss variation and capacitance tunability. Thin-film BST-based and conventional silicon varactor-based tunable dual-band quadrature hybrid couplers are characterized and compared in this thesis. Both structures are composed of four quarter-wavelength sections at a frequency located between the two operating frequencies and with two pairs of open-ended stubs. Frequency tuning makes use of both BST interdigital and silicon varactor diode capacitors connected at the open-ended stubs. The characterized BST interdigital capacitor (IDC) presents a capacitive-tunability of 52% through an applied voltage of 0 to 25 volt, while 82.5% is achieved for the selected commercial silicon varactor diode. The silicon varactor-tuned dual-band coupler exhibits 45.9 % and 5.2 % tuning range of center frequency for the first and the second band, respectively, while 29.2 % and 4.3 % are achieved for the BST tunable coupler. With two-tone non-linear characterization test, the BST tunable coupler biased at 0 and 25 volt presents an IIP3 of +25.45 and +35 dBm, respectively, while +11.5 and +34 dBm are obtained for the silicon varactor tunable coupler.


identifier: Hraimel, B. (2010). Enabling Technologies for Distribution of Broadband Radio over Fiber  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La radio sur fibre (RoF) a été considérée comme une technologie prometteuse qui concurrencera de manière indisputable comme solution viable pour la distribution des systèmes de communication sans fil à bande large actuels et futurs. La technologie RoF emploie la modulation d'onde sous-porteuse (SCM) pour moduler la lumière par un signal RF, qui à son tour sera transmise par la fibre. Malheureusement, la transmission du signal RF sur la fibre est sujette à un certain nombre de défauts. Ces défauts incluent le faible rendement de la conversion optique en électrique, à la dispersion chromatique de la fibre, et à la non-linéarité de l'émetteur  optique.  L'objectif de cette thèse est de développer des technologies de pointe pour la radio sur fibre à large bande. Les conceptions proposées devraient adresser la déformation non linéaire induite par l'émetteur optique, combattre le problème de l'affaiblissement de la puissance optique induit par la dispersion chromatique de la fibre, et améliorer l'efficacité de modulation optique au petit signal sans augmenter de manière significative le cout et la complexité du système RoF. Pour le signal RF à large bande, nous considérons le signal à bande ultra large utilisant le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (ULB MB-MROF), qui a été proposé comme solution pour le réseau de secteur personnel sans fil d'IEEE 802.15.3a (WPAN). D'abord, la performance de la transmission de l'ULB MB-MROF par la fibre est étudiée en considérant l'impact de modulation et démodulation optique. L'analyse théorique de l'effet de la dispersion de la fibre, de la réponse de l'émetteur optique et du récepteur optique sur la performance du système est effectuée en considérant la distorsion de la phase et de l'amplitude. Des expériences sont réalisées pour vérifier notre analyse théorique et une bonne concordance est obtenue. Il est constaté que l'index de modulation RF de ~4% est optimum pour l'émetteur optique avec le modulateur de Mach-Zehnder, et le récepteur optique avec la réponse de Tchebychev-II est le meilleur pour l'ULB MB-MROF sur fibre. Aussi, la performance de la transmission sans fil est limitée par la sensibilité du récepteur ULB MB-MROF. Il est aussi trouvé qu'une haute puissance optique reçue est exigée pour la transmission du signal de l'ULB MB-MROF sur fibre.  ABSTRACT: Radio over fiber (RoF) has been considered as a very promising technology that will indisputably compete as a viable solution for the distribution of current and future broadband wireless communication systems such as IEEE 802.15.3a WPAN using Multiband-Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra-Wideband (MB-OFDM UWB) signal. The RoF technology makes use of subcarrier modulation (SCM) to modulate an RF signal on light, which in turn will be transmitted by optical fiber. Unfortunately, the transmission of RF signal over fiber is subject to a number of impairments. These impairments include: low optical to electrical conversion efficiency, fiber chromatic dispersion, and nonlinearity of the optical front end, etc.. The objective of this thesis is to develop enabling technologies for broadband RoF systems. The proposed design platforms and techniques should address nonlinear distortion induced by the optical transmitter; combat optical power fading issue induced by the chromatic dispersion; and improve modulation efficiency of the optical small-signal modulation without significantly adding excessive expense and complexity to the RoF system.  First of all, the performance of MB-OFDM UWB wireless over fiber transmission system is investigated considering optical modulation and demodulation aspects. Theoretical analysis of the effects of fiber chromatic dispersion, relative intensity noise (RIN), optical transmitter and optical receiver response on system performance is carried out considering amplitude and phase distortion. Experiments are conducted, which have verified our theoretical analysis and a good agreement is obtained. It is found that low RF modulation index (4%) for optical transmitter with Mach-Zehnder modulator (MZM), and optical receiver with Chebyshev-II response is the best for MB-OFDM UWB over fiber. The wireless transmission performance is limited by the UWB receiver sensitivity. Moreover, a high received optical power is required for transmission of MB-OFDM UWB signal over fiber. It is also found that the parameters like laser output power, laser linewidth and fiber dispersion that control RIN, will critically affect the overall performance of a UWB over fiber system.


identifier: Saussié, D. A. (2010). Contrôle du vol longitudinal d'un avion civil avec satisfaction de qualités de manoeuvrabilité  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Satisfaire les qualités de manœuvrabilité demeure toujours une contrainte essentielle lors de la conception des commandes de vol. Ces critères de différentes natures sont le fruit d'une longue expérience d'essais en vol et d'analyse de données et il convient de les considérer pour espérer un bon comportement de l'appareil en vol. Dans ce cadre, l'enjeu de cette thèse est d'élaborer des méthodes de synthèse capables de satisfaire au mieux ces critères en respectant d'une part des architectures classiques imposées par le constructeur et, d'autre part, en adoptant une nouvelle architecture de contrôle. Le travail est effectué sur le vol longitudinal d'un avion d'affaire de Bombardier Inc., le Challenger 604.  Une première étape consiste à rassembler les qualités de manœuvrabilité les plus souvent utilisées et de les confronter. Nous étudions plus particulièrement le critère du dropback pour lequel une analyse théorique permet d'établir une formulation pratique utilisable lors d'une synthèse. De plus, la confrontation de ces critères sur un modèle standard met en évidence des critères dominants, qui, une fois satisfaits, impliquent que d'autres critères le sont aussi. Nous pouvons dès lors considérer le problème de satisfaction de ces critères dominants dans le cadre d'une loi de contrôle dont l'architecture est imposée. Nous nous tournons alors du côté des applications gardiennes (Saydy et al., 1990). Initialement destinées à l'étude de la robustesse, elles sont intégrées dans différents algorithmes pour la synthèse de correcteur. Ce problème s'inscrit dans le cadre plus général de stabilisation par retour de sortie et de synthèse de correcteurs d'ordre réduit. Il en ressort des algorithmes permettant la stabilisation de système et le placement de pôles dans une région du plan complexe. Ceux-ci sont étendus dans le cadre du séquencement du contrôleur sur toute l'enveloppe de vol en fonction de certains paramètres.  Nous faisons ensuite fi de la structure du correcteur en conservant seulement les mêmes sorties. L'idée est à présent d'utiliser une synthèse H pour obtenir un correcteur satisfaisant les qualités de manœuvrabilité grâce à l'appariement avec un modèle de référence et robuste à des variations de masse et de centrage de l'avion. Grâce aux travaux sur la commande modale robuste (Magni, 2002), nous pouvons réduire substantiellement l'ordre de ce correcteur ainsi que le structurer afin de nous rapprocher d'une architecture classique. Une méthode d'auto-séquencement de correcteurs, nous permet finalement de séquencer ce correcteur à travers toute l'enveloppe de vol. Deux voies différentes sont donc empruntées pour la résolution du même problème; chacune montre ses avantages et ses inconvénients.  ABSTRACT: Fulfilling handling qualities still remains a challenging problem during flight control design. These criteria of different nature are derived from a wide experience based upon flight tests and data analysis, and they have to be considered if one expects a good behavior of the aircraft. The goal of this thesis is to develop synthesis methods able to satisfy these criteria with fixed classical architectures imposed by the manufacturer or with a new flight control architecture. This is applied to the longitudinal flight model of a Bombardier Inc. business jet aircraft, namely the  Challenger 604. A first step of our work consists in compiling the most commonly used handling qualities in order to compare them. A special attention is devoted to the dropback criterion for which theoretical analysis leads us to establish a practical formulation for synthesis purpose. Moreover, the comparison of the criteria through a reference model highlighted dominant criteria that, once satisfied, ensure that other ones are satisfied too.Consequently, we are able to consider the fulfillment of these criteria in the fixed control architecture framework. Guardian maps (Saydy et al., 1990) are then considered to handle the problem. Initially for robustness study, they are integrated in various algorithms for controller synthesis. Incidently, this fixed architecture problem is similar to the static output feedback stabilization problem and reduced-order controller synthesis. Algorithms performing stabilization and pole assignment in a specific region of the complex plane are then proposed. Afterwards, they are extended to handle the gain-scheduling problem. The controller is then scheduled through the entire flight envelope with respect to scheduling parameters.  Thereafter, the fixed architecture is put aside while only conserving the same output signals. The main idea is to use H synthesis to obtain an initial controller satisfying handling qualities thanks to reference model pairing and robust versus mass and center of gravity variations. Using robust modal control (Magni, 2002), we are able to reduce substantially the controller order and to structure it in order to come close to a classical architecture. An auto-scheduling method finally allows us to schedule the controller with respect to scheduling parameters. Two different paths are used to solve the same problem; each one exhibits its own advantages and disadvantages.


identifier: Quirion-Blais, O. (2010). Méthodologie d'évaluation de la demande de chaleur des groupes de bâtiments dans le cadre d'une étude de faisabilité du chauffage urbain  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le cadre d'études d'amélioration de l'efficacité énergétique d'usines de pâte et papier, des modifications apportées au procédé de transformation permettent de libérer de grandes quantités de vapeur de qualité inférieure. Ce type de vapeur, ayant une basse pression et température, se retrouve généralement en surplus dans les usines. La création de grappes éco-industrielles permettrait de tisser des liens avec la communauté et d'autres entreprises afin de revaloriser cette vapeur. Une avenue intéressante serait l'aménagement de réseaux de chauffage urbain. Cette technologie consiste à distribuer la chaleur sous forme d'eau chaude ou de vapeur, dans des canalisations généralement sous-terraines, d'une ou de plusieurs chaudières centrales, à une série de clients étendus sur un territoire plus ou moins grand. L'énergie distribuée sert principalement à chauffer les bâtiments, cependant, elle peut aussi être utilisée pour l'eau chaude sanitaire ou pour des électroménagers adaptés.  Sous certaines conditions, ce type de chauffage s'avère rentable et respectueux de l'environnement pour plusieurs raisons dont l'efficacité supérieure et la diminution des émissions polluantes d'une chaudière centrale dû au meilleur contrôle de la combustion ainsi que la possibilité d'adapter les équipements à l'utilisation de ressources locales comme la biomasse près des usines de pâte et papier. Cependant, pour que les promesses d'économie se réalisent, la demande de chaleur des clients doit être suffisamment élevée et concentrée. Des études de faisabilité détaillées doivent être réalisées pour justifier les importants investissements nécessaires. De telles études exigent beaucoup de temps sans compter qu'elles requièrent de nombreuses données qui peuvent être difficiles à acquérir.  L'objectif de ce travail consiste donc à développer une méthodologie qui permet de réaliser une étude de faisabilité préliminaire, rapidement et en utilisant des données aisément accessibles. Celle-ci se concentre principalement sur l'aspect consommation de chaleur de la part des clients, qui est un point particulièrement critique quant à la décision d'implanter ou non un réseau de chaleur. L'accent est d'abord porté sur les édifices résidentiels, mais une méthode est aussi développée pour tenir compte de la demande des bâtiments commerciaux et institutionnels.  ABSTRACT: In the context of energy efficiency improvements to pulp and paper mills, process modifications allow to free low quality steam. This kind of low pressure and temperature steam is often found to be in excess in mills. New opportunities to use this energy could be created by gathering plants along with local communities and other enterprises into eco-industrial clusters. Following this proposition, district heating is an interesting technology that could be developed. It consists in supplying buildings with steam or hot water from one or more central heating plants through a series of canalization, generally underground. The supplied energy is used mostly for space heating but it can also be used with appliances specially designed for this purpose.  Under certain conditions, this type of heating is cheaper and more environmentally friendly for several reasons including the facts that one central boiler plant is more efficient and has lower pollutant emissions due to better combustion control. Moreover, it can be adapted to multiple fuels that are locally available such as biomass around some pulp and paper mills. However, to insure that the savings occur, the heat demand must be sufficiently high and concentrated. Therefore, detailed feasibility studies shall be conducted to justify significant investments. Such studies require a lot of time not to mention that they necessitate a lot of data which can be difficult to obtain.  The objective of this work is to develop a methodology that can assess the feasibility of district heating quickly and using easily accessible data. It was mainly designed to determine the heat consumption, which is especially critical as to decide whether or not to implement this technology. The focus is primarily directed on residential buildings, but another methodology is also developed to take into account the commercial and institutional buildings demand.


identifier: Jodoin, A. (2010). Un environnement dynamique de développement (EDD) pour le prototypage rapide d'interfaces graphiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement d'interfaces graphiques est une tâche complexe qui exige beaucoup de ressources spécialisées et de temps. Dans bon nombre de projets, cette tâche est laissée à la fin et, conséquemment, les résultats ne répondent pas toujours aux attentes des utilisateurs. Ceci peut s'expliquer par le fait que l'utilisateur n'a pas participé aux phases d'analyse et de conception de l'architecture du système sous-jacente à l'interface graphique. L'utilisateur est un expert qui connaît bien les tâches qui devront être accomplies et il doit être invité à participer à la définition des besoins, notamment en ce qui a trait à l'ergonomie des interfaces homme-machine (IHM). Pour y parvenir, il est préférable de définir les exigences et de concevoir avec les utilisateurs les IHM, bien avant de concevoir l'architecture du système que l'on veut contrôler. Cette architecture sera ainsi assujettie aux besoins qu'ont les utilisateurs dans l'exécution de leurs tâches. Le prototypage des IHM permet aux utilisateurs de bien faire connaitre leurs besoins aux développeurs et de s'assurer que ceux-ci bénéficieront d'une IHM qui répond à leurs exigences. Les utilisateurs ne peuvent exprimer leurs besoins autrement qu'en ayant recours à une maquette avec laquelle ils peuvent interagir. Il est donc nécessaire d'avoir accès à des outils performants permettant le prototypage des IHM, à savoir les outils les plus efficaces, les plus simples et les plus complets possibles. Les environnements de développement logiciel disponibles sur le marché offrent des outils d'aide au développement d'IHM. Ces outils permettent de manipuler directement les objets graphiques en y donnant accès à l'aide d'une palette ou d'un autre mécanisme. Ils permettent aussi de gérer la mise en page de vues et génèrent le squelette du code source des méthodes de traitement des évènements qui doivent être complétées par le programmeur. Malgré que ces outils soient très utiles, le développement des IHM exige tout de même beaucoup de travail et de connaissances, notamment parce que les objets graphiques sont reliés à l'application par la programmation à même les méthodes d'écoute d'évènements de ces objets. Cette façon de faire rend ardue l'utilisation d'une même IHM pour contrôler divers procédés, en plus de nécessiter beaucoup de connaissances en programmation. De plus, les comportements ainsi définis ne sont pas d'emblée réutilisables. L'objectif global de ce projet de recherche est de faciliter la tâche de l'utilisateur concepteur d'IHM en lui offrant une plateforme de prototypage rapide des IHM à l'aide de laquelle il peut tester avec des maquettes les exigences de l'IHM et les valider. Cet objectif vise particulièrement l'utilisateur qui, bien qu'il soit un expert dans son domaine, n'est pas un programmeur. Dans ce but, une architecture innovatrice et flexible de développement d'interfaces graphiques nommée « environnement dynamique de développement » (EDD) est proposée. L'EDD permet d'intégrer les objets graphiques (widgets) par manipulation directe et de les rendre « dynamiques », dans le sens où ils sont exécutés dans ce même environnement. En plus de permettre au concepteur de faire rapidement l'essai du comportement de l'interface, l'EDD offre une très grande flexibilité d'intégration de nouveaux objets graphiques, tout en minimisant le besoin de codage. Les comportements définis sont réutilisables et peuvent être associés à plusieurs événements.  ABSTRACT: The development of graphical interfaces is a complex task that requires a lot of specialized resources and time. In many projects, this task is left to the end and, consequently, the results do not always meet users' expectations. This can be explained by the fact that the user has not participated in the software analysis and design phases of the system architecture behind the user interface. The user is an expert who is familiar with the tasks to be performed and must be invited to participate to in the requirement definition, particularly with respect to those requirements that affect human factors. In order to achieve this, it is best to define with the users the requirements and design of the Human-Computer Interface (HCI) before designing the system to be monitored. This architecture is thus constrained by the needs that users have in performing their tasks. HCI prototyping allows users to communicate their needs to developers and ensure that they get an HCI that meets their requirements. Users can't express their needs other than by using a mockup with which they can interact. It is therefore necessary to have access to effective tools for HCI prototyping. Tools that are most effective, simple and complete as possible. The software development environments available on the market today provide tools to assist in development of HCIs. These tools allow drag-and-drop of graphical components they make available using a pallet or other mechanism. They also manage the layout of views and generate skeleton source code for event handling methods to be completed by the programmer. Despite these strengths are helpful assistants, development of HCIs still requires much work and knowledge, particularly because the graphical components are linked to the application through event handling methods contained in the HCI code. This approach makes it difficult to use the same HCI to control various processes in addition to requiring a lot of programming knowledge. Moreover, resulting behaviors are not easily reusable. The overall objective of this research project is to facilitate the task of the user by offering a platform for rapid prototyping of HCIs which he can use to test and validate HCI requirements using mockups. This objective is aimed particularly at domain experts who are not necessarily programmers. To this end, an innovative and flexible architecture for the development of graphical interfaces called the Dynamic Development Environment (DDE) is proposed. The DDE provides the capability to drag-and-drop graphical components (widgets) and allows them to be "dynamic" in the sense that they run in that environment. It allows the designer to quickly test the behavior of the interface and offers great flexibility to incorporate new graphical components, while minimizing the need for coding.