identifier: Carrières, V. (2021). Utilisation des données d'une plateforme de traçabilité blockchain pour l'amélioration des ACV  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'urgence environnementale à laquelle l'humanité est confrontée, avec des enjeux critiques comme le réchauffement climatique ou la perte de biodiversité, doit être considérée avec la plus grande attention par les acteurs industriels faisant face au durcissement des réglementations environnementales et à l'exigence accrue des consommateurs concernant la durabilité des produits qu'ils achètent. Pour mesurer et communiquer sur l'impact environnemental de leurs produits, les entreprises industrielles ont ainsi recours à la méthodologie de l'Analyse du Cycle de Vie (ACV), qui permet d'évaluer l'impact des produits sur l'ensemble de leur chaîne de valeur. Cette méthodologie est cependant fortement dépendante de la spécificité des données qu'elle prend en compte pour fournir un résultat d'impact fiable et représentatif. La difficulté de la collecte des données de production auprès des différentes acteurs d'une chaîne de valeur constitue ainsi sa principale limite. En même temps, la technologie blockchain s'est récemment développée de manière spectaculaire pour des applications de traçabilité de produits et d'enregistrement de données industrielles grâce à ses propriétés d'immutabilité, d'intégrité, et de persistance des données qui garantissent la transparence et la confiance entre acteurs industriels. Ce mémoire s'intéresse donc aux opportunités des systèmes de traçabilité blockchain pour améliorer les ACV de produits industriels. Peu d'articles font pour le moment le lien entre ACV et traçabilité blockchain et se contentent de proposer un cadre d'intégration et une architecture générale sans détailler les processus d'affaires d'implantation et les acteurs concernés. Une méthodologie d'implantation de systèmes ACV-blockchain en 8 processus d'affaires principaux a ainsi été développée et évoque les activités, les acteurs, les jalons et les livrables nécessaires à la réalisation d'un tel projet. Une expérimentation a ensuite été menée sur des lots de laine peignée pour évaluer l'intérêt de cette méthodologie. Deux résultats principaux ont été obtenus : l'impact environnemental des lots de laine peut varier drastiquement en fonction de leur composition et de la provenance des laines (jusqu'à +118% sur l'impact global entre deux lots de compositions différentes) et les données spécifiques apportées par la traçabilité changent fortement la perception de l'impact des lots par rapport à des données génériques pour une composition de laine fixée (+36% d'impact calculé sur l'étape de transformation avec les données spécifiques). Ces résultats justifient l'utilisation de la traçabilité blockchain pour affiner le calcul d'impact environnemental par ACV au niveau des lots de produits. Les limites de ces résultats et les perspectives de recherche futures sont ensuite présentées pour venir compléter l'outil méthodologique développé.  ABSTRACT: The environmental emergency that humanity is facing, with critical issues such as global warming or the loss of biodiversity, must be considered with the greatest attention by industrial companies facing at the same time the toughening of environmental regulations and increased expectations from consumers about the sustainability of the products they buy. To measure and communicate about the environmental impact of their products, industrial companies mostly use the Life Cycle Assessment (LCA) methodology, which makes it possible to assess the impact of products on their entire value chain. However, this methodology is highly dependent on the specificity of the data it takes into account to provide a reliable and representative impact result. The difficulty of collecting production data from different stakeholders in a value chain is thus its main limitation. At the same time, the applications of blockchain technology for product traceability and industrial data registration have recently boomed thanks to its immutability, its integrity, and the persistence of data on the network that guarantee transparency and trust between stakeholders. This research paper focuses on the opportunities of blockchain traceability systems to improve the LCA of industrial products. For the moment, few articles link LCA and blockchain traceability and those who do simply propose an integration framework and a general architecture without detailing the business processes and the stakeholders concerned in an implementation project. A methodology for implementing blockchain-LCA systems divided in 8 main business processes has thus been developed and evokes the activities, stakeholders, milestones and deliverables needed to carry out such a project. An experiment was then conducted on wool top lots to assess the contribution of this methodology. Two main results were obtained: the environmental impact of the wool top lots can vary drastically depending on their composition and the origin of the wool (up to +118% on the overall environmental impact between two batches of different compositions) and the specific data provided by traceability strongly changes the perception of the impact of wool top lots compared to generic data for a fixed wool composition (+36% of calculated impact on the processing step with specific data). These results justify the use of blockchain traceability to refine the LCA calculation of environmental impact at the level of product batches. The limitations of these results and future research perspectives are then presented to complement the methodological tool developed in this paper.


identifier: Hao, S. (2021). Experimental measurement, mathematical description, and machine learning prediction of the mechanical properties of waste rocks for mine haul roads  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les opérations minières peuvent générer de grandes quantités de roches stériles, lesquelles sont souvent entreposées en surface, dans des haldes généralement construites à proximité des sites de production. Cependant, la gestion et la restauration des haldes à stériles peuvent s'avérer complexes en raison notamment de leur grande taille et des risques d'instabilités géochimiques et géotechniques. La valorisation des stériles pour la construction de routes minières peut donc être une alternative intéressante au stockage en surface, tant sur le plan économique qu'environnemental. Le réseau routier sur un site minier est en effet un élément critique et vital du processus de production, et il a un impact direct et significatif sur la productivité et les coûts. Les propriétés mécaniques des stériles sont des paramètres essentiels pour améliorer la conception des routes de transport de la mine, mais les résultats et informations sur les propriétés mécaniques des roches stériles de mines en roches dures sont relativement limitées. De plus, les outils de conception et les méthodes de mesure ont généralement été développés pour des applications civiles, et leur applicabilité aux routes minières (qui sont souvent soumises à une charge de trafic significativement différente de celle des autoroutes) reste incertaine. L'objectif principal de ce projet était donc d'évaluer les propriétés mécaniques des roches stériles soumises au chargement des camions miniers afin d'améliorer la conception des routes minières. L'applicabilité des normes et des méthodes expérimentales au laboratoire ainsi que des modèles mathématiques aux stériles a été évaluée. L'effet des propriétés de base et des facteurs climatiques sur les propriétés mécaniques des stériles a été quantifié. Des modèles d'apprentissage automatique ont été développés au moyen de différents algorithmes afin de prédire les propriétés mécaniques des stériles. Un grand nombre d'essai CBR et triaxiaux, de différentes dimensions et sous différents types de contraintes, ont été réalisés dans cette étude. Les niveaux de contrainte proposés dans les normes existantes (p.ex. AASHTO T307 et EN 13286) était significativement plus faibles que les contraintes attendues sur les sites miniers puisque ces normes ont été développées pour le design des autoroutes. Des conditions expérimentales différentes et des chemins de contraintes plus élevés ont donc été proposés et appliqués dans cette étude afin de représenter les conditions typiques causées par des camions miniers extra-lourds. Les essais CBR dynamiques ont été proposés comme une alternative efficace aux essais triaxiaux dynamiques afin d'estimer le comportement de déformation résiliente et permanente des stériles. Les résultats ont montré que l'impact de la fréquence de chargement et de la forme d'onde dans les essais CBR dynamique était limité, tandis que le module équivalent mesuré augmentait de manière significative avec la contrainte. L'équation et le modèle développés pour les essais CBR dynamiques se sont avérés fiables pour décrire la rigidité et la déformation permanente des stériles. Le rapport optimal gravier/sable des stériles broyés se situait entre 1 et 1,5 et a contribué à obtenir un module de résilience et une résistance au cisaillement plus élevés, ainsi qu'une déformation permanente plus faible. Une augmentation de la teneur en fines a, au contraire, entraîné la diminution du module d'élasticité et de la déformation permanente mais aussi une augmentation significative de la résistance au cisaillement. Le rapport gravier/sable optimal des stériles non broyés avec une taille de particule maximale de 60 mm était d'environ 5 et le taux de déformation permanente a augmenté de manière significative lorsque la taille maximale des particules a été réduite à 25 mm. Une augmentation de l'énergie de compactage a entraîné une diminution significative de la déformation permanente des stériles ; les stériles d'une granulométrie maximale de 60 mm, d'un rapport gravier/sable de 5 et d'une teneur en fines de 5 % ont montré une résistance au cisaillement plus élevée. Les cycles de gel-dégel ont entraîné une réduction du module d'élasticité et de la résistance au cisaillement, et une augmentation de la déformation permanente. Une plus grande teneur en eau pendant les cycles de gel-dégel a également entraîné une augmentation significative de la déformation permanente. Les résultats ont également montré que les cycles mouillage-séchage pouvaient contribuer à augmenter la rigidité, le CBR et la déformation permanente des stériles broyés. Le modèle MR-θ et le modèle MEPDG sont apparus fiables pour décrire le comportement du module de résilience des stériles sous différentes conditions de contraintes. Le modèle de Rahman et Erlingsson (étendu à l'aide d'une approche d'écrouissage) était bien adapté pour décrire l'accumulation de déformation permanente avec le nombre de cycles de chargement causés par la succession de nombreux chemins de contraintes. Des modèles de prédiction des coefficients k1, k2, a et b, exprimés en fonction des propriétés physiques de base et des facteurs climatiques, ont également été proposés afin de prédire le module de résilience et la déformation permanente des stériles. Les modèles proposés pourraient être utilisés pour prédire les propriétés mécaniques des stériles sur le terrain, mais devraient être améliorés en utilisant davantage de résultats d'essais et ainsi étendre leur capacité de généralisation. Différents algorithmes d'apprentissage automatique, y compris la régression linéaire multiple (MLR), la machine à vecteurs de support (SVM), les k plus proches voisins (KNN), l'arbre de décision (DT), la forêt aléatoire (RF), le réseau de neurones à rétropropagation (BPNN) et la neuroévolution des topologies d'augmentation (NEAT) ont été utilisées pour développer des modèles de prédiction du CBR, du module de résilience et de la déformation permanente des stériles broyés à partir des propriétés de base des matériaux. Huit propriétés (densité sèche, énergie de compactage, teneur en fines, taille maximale des particules, CC, CU, D10 et D60) ont été sélectionnées comme variables d'entrée pour les modèles CBR, et le nombre de cycles de chargement, la pression de confinement et la contrainte de déviation ont été ajoutés comme variables d'entrée supplémentaires pour les modèles de module de résilience et de déformation permanente. L'architecture optimale des modèles d'apprentissage automatique a été déterminée par l'étude des hyperparamètres. Une étude comparative a montré que les modèles DT, RF et BPNN permettaient d'obtenir de meilleurs résultats pour le CBR, le module de résilience et la déformation permanente, respectivement. Les résultats présentés dans cette thèse devraient contribuer à donner aux exploitants miniers des indications générales pour sélectionner et préparer les stériles à utiliser dans la construction de routes minières. Les recommandations proposées pourraient améliorer les performances à court et à long terme des routes minières et réduire les besoins d'entretien, et ainsi diminuer la consommation de carburant, améliorer la durée de vie des composants des véhicules (en particulier les pneus), augmenter la productivité et réduire les coûts d'exploitation.  ABSTRACT: Mining operations can generate large amounts of waste rocks, which are often stored on the surface, in piles, close to production sites. However, the management and reclamation of waste rock piles can be challenging because of their large size and the risks for geochemical and geotechnical instabilities. The valorization of waste rocks for the construction of mine haul roads is an attractive alternative to surface disposal, both economically and environmentally. The mine haul road network is, indeed, a critical and vital component of the production process, which directly and significantly impacts mine productivity and costs. Waste rock mechanical properties are critical parameters to improve mine haul roads design, but the relevant research on the mechanical properties of waste rocks from hard rock mine are relatively limited. Also, design tools and measurement methods were usually developed for civil applications, and their applicability to mine haul roads (which are subjected to significantly different traffic loading compared to highways) remains uncertain. The main objective of this project was therefore to evaluate the mechanical properties of waste rocks under mining truck loading to improve the design of mine haul roads. The applicability of laboratory test standards and methods, and of mathematical regression models to waste rocks was assessed. The effect of basic properties and climatic factors on the mechanical properties was quantified. Machine learning models for predicting the mechanical properties of waste rocks were also developed using different algorithms. A large number of CBR and triaxial tests, of various dimensions and with different load types, were carried out in this study. The stress levels proposed in the existing laboratory tests standards (e.g., AASHTO T307 and EN 13286) were significantly lower than the stress state within mine haul roads since these standards were initially developed for the highway design. High stress levels were therefore proposed and applied in this study to represent the typical stress conditions caused by extra heavy mining trucks. Repeated load CBR tests appeared to be an effective alternative to repeated load triaxial tests to estimate resilient and permanent deformation behavior of waste rocks. Results showed that the impact of loading frequency and waveform in repeated load CBR tests was limited, while the measured equivalent modulus increased significantly with contact stress. The developed equation and model for repeated load CBR tests were reliable to describe the stiffness and permanent deformation of waste rocks, respectively. The optimum gravel-to-sand ratio of crushed waste rocks was between 1 and 1.5 and contributed to provide higher resilient modulus and shear strength, and lower permanent strain. An increase in fines content could, to the contrary, result in the decrease of resilient modulus and permanent strain but also to significant increase of shear strength. The optimum gravel-to-sand ratio of uncrushed waste rocks with 60 mm of maximum particle size was around 5 and the permanent strain rate increased significantly when the maximum particle size was decreased to 25 mm. An increasing of compaction effort resulted in a significant decrease in permanent strain of waste rocks; waste rocks with 60 mm of maximum particle size, a gravel-to-sand ratio of 5, and 5% of fines showed higher shear strength. Freeze-thaw cycles resulted in a reduction of the resilient modulus and shear strength, and an increase of the permanent deformation. A greater water content during freeze-thaw cycles also resulted in a significant increase of the permanent deformation. Results also showed that wetting-drying cycles could contribute to increase the stiffness, CBR, and permanent deformation of crushed waste rocks. MR-θ model and MEPDG model appeared reliable to describe the resilient modulus behavior of waste rocks under different stress conditions. Rahman and Erlingsson model (extended using time hardening approach) was well adapted to fit the accumulation of permanent strain with number of loading cycles caused by numerous stress paths. Coefficient prediction models (k1, k2, a, and b), expressed as a function of basic physical properties and climatic factors, were also developed to predict the resilient modulus and permanent strain of waste rocks. The proposed models could be used to predict the mechanical properties of waste rocks in the field, but would need to be improved using more test results to extend their generalization capacity. Different machine learning algorithms, including multiple linear regression (MLR), support vector machine (SVM), k-nearest neighbors (KNN), decision tree (DT), random forest (RF), backpropagation neural network (BPNN), and neuroevolution of augmenting topologies (NEAT), were therefore used to develop prediction models for CBR, resilient modulus, and permanent deformation of crushed waste rocks based on experimental data. Eight properties (dry density, compaction energy, fines content, maximum particle size, CC, CU, D10, and D60) were selected as input variables for CBR models, and number of loading cycles, confining pressure, and deviator stress were chosen as the input variables for the resilient modulus and permanent deformation models. The optimum architecture of machine learning models was determined through hyperparameters study. A comparison study showed that the DT, RF, and BPNN models provided better results for CBR, resilient modulus, and permanent deformation, respectively. The results presented in this thesis should contribute to give mine operators general indications to select and prepare waste rocks to be used in haul road construction. The proposed recommendations could improve the short and long-term performance of haul roads and reduce the need for maintenance, and therefore decrease fuel consumption, improve vehicle component lifetime (especially tires), increase productivity and reduce operation costs.


identifier: Sole, C. (2021). Scalable Algorithms for Discrete Choice Modeling and Assortment Optimization  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'optimisation de l'assortiment vise à identifier un ensemble de produits à offrir aux clients, de manière à maximiser le revenu attendu d'une entreprise. L'un des principaux défis à relever pour résoudre cette tâche provient du fait que les demandes de produits sont interdépendantes, en raison des effets dits de substitution et de halo. Par conséquent un modèle de choix discret doit être appris à partir des données recensées, afin de capturer les comportements d'achat des clients confrontés à des ensembles discrets d'alternatives. Un tel modèle peut ensuite être utilisé comme une sous-routine prédictive pour optimiser les décisions d'assortiment. En pratique, la résolution d'un problème d'optimisation de l'assortiment nécessite donc de trouver le bon compromis entre i) la flexibilité du modèle de choix, qui doit être suffisamment général pour bien représenter le comportement d'achat des clients, et ii) la difficulté de résolution du problème d'optimisation pour trouver l'ensemble de produits qui maximise les revenus. Dans cette thèse, nous traitons à la fois les aspects prédictifs et prescriptifs de ce compromis, en fournissant des procédures d'estimation efficaces pour des modèles de choix discrets généraux et des algorithmes pour identifier des assortiments à revenu élevé. Tout d'abord, nous proposons une procédure efficace pour optimiser les assortiments pour des scénarios dans lesquels chaque produit est associé à un certain coût que l'entreprise doit payer pour offrir ce produit. Nous supposons que les clients choisissent selon un modèle Multinomial Logit. Ce problème est NP-hard. Néanmoins, nos résultats indiquent qu'il est possible d'identifier l'assortiment optimal en une fraction de seconde, en moyenne, même pour des instances avec mille produits. Nous montrons également comment adapter notre approche au cas où les assortiments doivent satisfaire une contrainte sur le nombre maximum de produits disponibles. Deuxièmement, nous proposons un modèle de choix partiellement rangé, qui généralise les modèles de choix entièrement rangé en supposant que les clients forment des préférences strictes uniquement parmi quelques produits pertinents, tout en étant “indifférents” parmi les autres. Ce modèle permet de capturer tout effet de substitution entre les produits. Nous proposons ensuite une procédure d'estimation basée sur la génération de colonnes pour identifier efficacement les comportements des clients en fonction des données historiques de vente. De plus, nous montrons comment optimiser les décisions d'assortiment basées sur un tel modèle. Enfin, nous étendons notre modèle de choix partiellement rangé et notre cadre d'estimation pour capturer les comportements d'achat, tels que les effets de halo, qui ne peuvent être expliqués par aucun des modèles appartenant à la famille de la maximisation de l'utilité aléatoire. Nos résultats sur un ensemble de données de ventes d'épicerie dans le monde réel montrent que la prise en compte de ce type de comportements de choix permet d'augmenter de manière significative la précision prédictive.  ABSTRACT: Assortment Optimization aims at identifying a set of products to be offered to customers, so as to maximize a firm's expected revenue. One of the major challenges in solving this task stems from the fact that products demands are interdependent, due to so-called substitution and halo effects. Hence, most often a discrete choice model must be learned from historical data, in order to capture the buying behaviors of customers faced with discrete sets of alternatives. Such model can then be used as a predictive subroutine for optimizing assortment decisions. In practice, tackling the assortment optimization problem thus requires finding the right trade-off between i) flexibility of the choice model, which should be general enough to approximate well the buying behavior of customers, and ii) tractability of the optimization problem one must solve to find the revenue-maximizing set of products. In this thesis, we deal with both the predictive and prescriptive aspects of such trade-off, providing effective estimation procedures for general discrete choice models and scalable algorithms to identify high-revenue assortments. First, we propose an effective procedure to optimize assortments for scenarios in which each product is associated to a certain cost representing, e.g., the stocking or shipping one, which the firm has to pay for offering that product. We assume customers choose according to a Multinomial Logit model. This problem is NP-hard. Exact solution methods have been shown to be computationally impractical, thus motivating a number of approximate approaches. Notably, our results indicate that it is possible to identify the optimal assortment in a fraction of a second, on average, even on large-scale instances. We further show how to adapt our approach to the case in which assortments must satisfy a constraint on the maximum number of available products. Second, we propose a partially-ranked choice model that generalizes fully-ranked choice models by assuming that customers may form strict preferences only among few relevant products, while being “indifferent” among the others. Such model can theoretically approximate any model belonging to the Random Utility Maximization family, and allows to capture any pattern of substitution among products. We then provide an estimation procedure based on column generation to effectively identify customer behaviors consistent with historical sales data. Further, we show how to optimize assortment decisions based on such model. Finally, we extend our partially-ranked choice model and estimation framework to capture buying behaviors, such as halo effects, which cannot be explained by any of the models belonging to the Random Utility Maximization family. Our results on a real-world grocery sales dataset show that accounting for this type of choice behaviors allows to significantly boost predictive accuracy.


identifier: Villeneuve, M. (2004). Évaluation du comportement géochimique à long terme de rejets miniers à faible potentiel de génération d'acide à l'aide d'essais cinétique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

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abstract: L'industrie minière et ses rejets -- Le drainage minier acide -- Objectifs et contenu du mémoire -- Présentation des essais cinétiques -- Études comparatives sur les essais cinétiques -- Méthodes de caractérisation des échantillons solides -- Méthodes de caractérisation des échantillons liquides -- Essais cinétiques -- Nature et historique des échantillons -- Caractéristiques physiques -- Analyse des métaux et des principaux anions -- Minéralogie -- Essais statiques -- Données ponctuelles -- Données cumulatives -- Facteurs influençant les résultats des essais cinétiques -- Potentiel de génération d'acide des rejets étudiés -- Outil de sélection.


identifier: Hassantabar, N. (2021). Automating Kinematic Resolution of Redundant Planar Manipulators Using Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) Modeling  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les manipulateurs robotiques sont utilisés pour différents types d'applications telles que la fabrication, l'assistance médicale, l'entretien dans l'espace et bien d'autres. La nécessité de prendre en compte les limites articulaires dans la planification de trajectoire est complexe car la trajectoire cartésienne requise doit être projetée dans l'espace articulaire du manipulateur. Lorsqu'il y a plus d'articulations que le degré de liberté requis par la tâche, le manipulateur est redondant par rapport à cette tâche. Dans cette situation, le degré de liberté supplémentaire du manipulateur peut être utilisé pour éviter les limites articulaires. Ce mémoire étudie la possibilité de résoudre la cinématique inverse d'un manipulateur redondant à l'aide d'un système intelligent artificiel (ANFIS), tout en considérant les limitations articulaires. Un algorithme est proposé pour trouver la région réalisable de l'espace articulaire, tout en tenant compte des limitations de chaque articulation, et enregistrer cette région pour toutes les positions d'un point de l'outil du manipulateur dans l'espace de travail. L'algorithme construit un projeteur sur l'espace nul de la matrice Jacobienne afin d'effectuer un auto-mouvement du manipulateur, le long des deux directions de l'auto-mouvement, afin d'atteindre les deux limites de la région réalisable. En utilisant cette technique, la région réalisable fournie par la redondance est cartographiée sur chaque joint individuel pour avoir une meilleure compréhension des limitations provenant des autres joints. Le point médian de la région réalisable de l'articulation la moins stricte est sélectionné comme solution articulaire redondante et utilisé dans les formules cinématique inverse pour calculer la solution des autres articulations. Cet algorithme est utilisé pour trouver les limites de la région réalisable ainsi que la solution de norme minimale pour une grille de positions de l'outil couvrant l'ensemble de l'espace de travail du manipulateur. Ce jeu de données est utilisé comme données d'apprentissage par ANFIS afin de prédire ces valeurs sans avoir à utiliser cet algorithme laborieux, et proposer directement une solution articulaire redondante. Pour une trajectoire cartésienne donnée, la résolution de redondance du manipulateur s'effectue en temps réel en deux étapes. Tout d'abord, les positions finales du manipulateur sont introduites dans ANFIS afin d'obtenir la solution articulaire redondante. Deuxièmement, les formules cinématique inverse sont utilisées pour calculer les autres positions articulaires. La validation a été menée sur un manipulateur série planaire à trois degrés de liberté pour effectuer une tâche à deux degrés de liberté, le positionnement de son outil. Le manipulateur a un degré de redondance et l'auto-mouvement a été utilisé pour éviter les limites articulaires.  ABSTRACT: Robotic manipulators are used for different types of applications such as manufacturing, medical assistance, space servicing and many others. The need for considering joint limits in the path planning is complex because the required Cartesian trajectory needs to be mapped into the joint space of the manipulator. When there is more joints than the degree of freedom required by the task, the manipulator is redundant relative to this task. In this situation, the extra degree of freedom of the manipulator can be used to avoid joint limits. This thesis investigates the possibility of solving the inverse kinematic of a redundant manipulator with the help of an artificial intelligent system (ANFIS), while considering the joint limitations. An algorithm is proposed to find the feasible region of the joint space, while considering the limitations of every joints, and record this region for any end-point positions of the manipulator of the workspace. The algorithm builds a projector on the null-space of the Jacobian matrix in order to perform a self-motion of the manipulator, along both directions of the self-motion, in order to reach the two limits of the feasible region on any joint. Using this technique, the feasible region provided by the redundancy is mapped on each individual joint to have a better understanding of the limitations coming from the other joints. The middle-point of the feasible region of the least relaxed joint is selected as the redundant joint solution and used in the inverse kinematic formula to calculate the solution of the other joints. This algorithm is used to find the limits of feasible region together with the minimum-norm solution for a grid of end-point positions covering the whole workspace of the manipulator. This data-set is used as training data by an ANFIS in order to predict these values without having to use this time consuming algorithm, and propose directly a redundant joint solution. For a given Cartesian trajectory, the redundancy resolution of the manipulator is performed in real-time is two steps. First, the end-point positions of the manipulator is feed into the ANFIS in order to obtain the redundant joint solution. Second, the inverse kinematic formula are used to compute the other joint positions. Validation was conducted on a planar three degrees of freedom serial manipulator while performing a two degrees of freedom task, the positioning of its end-point. The manipulator has one degree of redundancy and the self-motion was used to avoid joint limits. The simulation show the effectiveness of the proposed algorithm in computing the feasible region and the minimum-norm solution. Moreover, ANFIS was able to directly predict the redundant joint solution, while the inverse kinematic formula was used to compute accurately the solution of the other two joints.


identifier: Ben Youssef, Y. (2021). Comportement dynamique nonlinéaire des structures cylindriques fermées et isotropes, soumises à un écoulement supersonique  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'analyse du comportement dynamique géométriquement nonlinéaire des structures cylindriques minces fermées et isotropes, soumises à un écoulement supersonique, a suscité l'intérêt de la communauté scientifique et a mobilisé un grand nombre de chercheurs dans la dernière décennie. Cela est dû, d'une part, à l'utilisation de ces structures dans des domaines de haute pointe telle que l'aérospatiale, l'aéronautique et le nucléaire et d'autre part au besoin de développer des modèles analytiques et numériques capables d'analyser fidèlement le phénomène d'instabilité dynamique afin de pouvoir fournir des prédictions correctes, tant qualitativement que quantitativement surtout avec l'avènement accru des outils numériques. La majorité des études qui ont été menées emploie l'étude linéaire pour traiter ce genre de problème et un nombre limité de recherches qui a été consacré à l'analyse nonlinéaire du comportement dynamique des coques cylindriques minces soumises à l'effet du flottement supersonique. Cette thèse a pour but de proposer un modèle capable d'analyser linéairement et nonlinéairement le comportement dynamique des structures cylindriques minces et isotropes lorsqu'elles sont soumises à un écoulement supersonique externe en tenant compte de l'effet des contraintes initiales de raidissement induites par des pressions radiales et/ou des forces axiales. Le modèle développé tient aussi en considération de l'effet des imperfections géométriques initiales, de l'effet de courbure au niveau du champ de déplacement circonférentiel ainsi que de l'effet du couplage nonlinéaire entre les différents modes. Il permet aussi de prédire le début de l'instabilité dynamique de la structure et de décrire son comportement durant les phases qui suivent l'apparition de flottement. La méthode développée dans cette thèse rallie à la fois la méthode des éléments finis, la théorie des coques minces et la théorie aérodynamique de fluide. Trois aspects étaient au centre de l'intérêt de ce travail de recherche, réparties sur trois sections stipulant l'effet des contraintes initiales de raidissement sur le comportement dynamique des structures axisymétriques, en premier lieu. Ensuite, une formulation a été développée optant pour l'analyse des vibrations libres géométriquement nonlinéaires des coques cylindriques minces. La troisième partie traite l'effet des forces aérodynamiques induites par un écoulement d'air supersonique sur le comportement dynamique nonlinéaire des structures cylindriques minces et isotropes en évaluant entre autre leur état de stabilité. La première partie de ce travail, met en exergue l'analyse détaillée de l'effet des contraintes initiales de raidissement sur le comportement dynamique des structures axisymétriques. Ces dernières sont composées principalement par des éléments de type cylindrique, conique et/ou des éléments axisymétriques à rayon variables. Pour assurer une meilleure consistance géométrique, deux éléments finis de forme cylindrique et conique basés sur la méthode des éléments finis hybrides sont considérés dans cette étude. Cette approche repose sur une combinaison entre la méthode des éléments finis classique et la théorie des coques minces. Les fonctions de déplacement sont dérivées à partir des solutions exactes des équations d'équilibre de Sanders relatives aux cas des coques cylindriques et coniques. Les matrices de masse et de rigidité linéaires sont déterminées en se basant sur l'expression de l'énergie de déformation élastique et de l'énergie cinétique. La matrice de rigidité induite par les contraintes initiales de raidissement, inférées des forces axiales et/ou des pressions radiales, est déterminée à partir de l'expression de l'énergie de déformation élastique associée aux forces membranaires. Les équations de mouvement sont dérivées à partir des équations de Lagrange et résolues en considérant l'approche du système à valeurs propres. Les structures combinées sont aussi prises en considération dans cette étude. Celles-ci se manifestent par un assemblage des éléments cylindriques et d'autres coniques en appliquant les techniques standard des éléments finis. Ces structures combinées tirent, en conséquence, profit des avantages du modèle hybride des éléments finis cylindriques et ceux coniques. L'effet des forces axiales ainsi que des pressions radiales est examiné dans cette étude tout en tenant en compte de la variation des propriétés géométriques des structures. L'analyse tient aussi en compte de l'effet des différentes conditions aux limites sur le comportement dynamique des structures axisymétriques. L'étude a montré que les structures cylindriques soumises à des pressions externes deviennent vulnérables à l'instabilité dynamique (divergence) au fur et à mesure que leurs rayons augmentent. Un effet opposé a été révélé lorsque les structures cylindriques sont sujettes à des forces axiales de compression marquant ainsi l'absence de l'effet de la variation de rayon de courbure sur la charge critique de flambement dynamique des coques cylindriques. Les résultats ont montré aussi que l'augmentation de l'angle du tronc de cône favorise l'instabilité des structures coniques en les comparant aux coques présentant des angles modérés et que l'effet des contraintes initiales de raidissement pour les coques combinées devient prépondérant lorsque le comportement flexionnel gouverne alors qu'il devient minime lorsque le comportement membranaire gouverne. L'étude a montré une excellente concordance entre les résultats issus de cette analyse avec ceux expérimentaux et numériques trouvés dans la littérature. La seconde partie de cette thèse, est consacrée à l'analyse du comportement géométriquement nonlinéaire (grande amplitude de vibration et petite déformation) des coques cylindriques minces, fermées et isotropes en vibration libre, à travers le développement d'une formulation basée sur les relations cinématiques nonlinéaires de Novozhilov. La théorie, développée dans ce manuscrit, tient en compte de l'effet de courbure au niveau du champ de déplacement circonférentiel et considère l'impact des imperfections géométriques initiales sur la réponse dynamique du système. Le couplage nonlinéaire entre les différents modes est entre autre pris en considération. La formulation prend d'abord une forme générale en considérant le champ de déplacement comme une combinaison entre une fonction temporelle (coordonnée généralisée) et une autre spatiale. Les relations cinématiques nonlinéaires découlent de la théorie de Novozhilov. L'équation de mouvement est inférée des équations de Lagrange en se basant sur une approche énergétique. Les matrices de rigidité nonlinéaires quadratiques et cubiques sont déterminées après intégration analytique des coefficients modaux s'écrivant en termes des fonctions de formes. Le développement d'un modèle hybride a été évoqué dans un second temps, en ralliant à la fois la formulation développée avec la méthode des éléments finis classique. Les matrices élémentaires de masse et de rigidité linéaires et nonlinéaires sont déterminées en remplaçant les fonctions spatiales du champ de déplacement par les fonctions de forme découlant de l'analyse linéaire et dérivés à partir de la solution exacte des équations d'équilibre de Sanders ce qui acquiert au modèle une rapidité de convergence et une précision des résultats. La résolution de l'équation de mouvement se base principalement sur le principe de linéarisation après avoir transformé le système dans sa base modale. L'effet des différents paramètres tel que la variation du nombre d'ondes axiales et circonférentielles, des paramètres géométriques ainsi que des conditions aux limites sur le comportement dynamique des structures cylindriques minces a été examiné. Les résultats décelés à partir de cette étude sont en bonne concordance avec ceux relatifs aux autres auteurs. L'analyse révélée a mis en exergue l'effet prépondérant du couplage nonlinéaire à accentuer le caractère raidissant du comportement dynamique nonlinéaire des coques cylindriques. D'autant plus, l'étude nonlinéaire a apporté quelques amendements en matière de caractérisation des fréquences et modes fondamentaux. L'analyse a aussi exhibé une évolution croissante de la fréquence relative nonlinéaire en fonction de l'augmentation de l'élancement de la structure incité par la chute draconienne de la fréquence linéaire par rapport à celle nonlinéaire. La troisième partie de cette recherche, présente un modèle permettant d'analyser le comportement dynamique nonlinéaire des coques cylindriques minces fermées et isotropes, soumises à des pressions radiales et/ou des forces axiales et exposées à un écoulement d'air supersonique. Les matrices de masse et de rigidité structurales sont obtenues en se basant sur une approche énergétique. La matrice de rigidité induite par les contraintes initiales de raidissement est calculée en se basant sur l'évaluation de l'énergie de déformations des flux d'efforts membranaires. La matrice de rigidité nonlinéaire cubique est déterminée à partir de l'intégration analytique des coefficients modaux qui dépendent également des fonctions de forme trouvés à partir de l'analyse linéaire. La pression aérodynamique locale exercée par le fluide sur la structure est dérivée de la théorie de piston linéaire avec et sans considération des termes de corrections de courbures. La corrélation entre la pression aérodynamique et la composante radiale, locale du vecteur vitesse de fluide a permet d'exprimer la force aérodynamique en fonction des déplacements calculées en tout point de la structure. Les matrices de rigidité et d'amortissement de fluide sont déterminées par intégration analytique de la force de pression aérodynamique. Les équations de mouvement sont établies à partir des équations de Lagrange et résolues par le biais d'une méthode itérative directe. Plusieurs résultats sont décelés suite à cette recherche mettant en exergue l'effet assouplissant du comportement nonlinéaire traduit par la relation ralliant les rapports des fréquences linéaires et nonlinéaires en fonction des ratios d'amplitude de vibration et de l'épaisseur des parois des coques. L'effet du couplage nonlinéaire ainsi que les effets du nombre d'ondes circonférentiels et des paramètres géométriques de la structure sur le comportement dynamique nonlinéaire des coques pressurisées et non pressurisées pendant le début du flottement et durant les phases d'instabilité sont investigués dans cette étude. L'étude a met l'accent sur l'effet éminent du couplage entre les différents modes nonlinéaires et qui réside dans l'accentuation du caractère assouplissant des coques cylindriques pressurisées en fonction de l'accroissement de l'amplitude de flottement. L'augmentation de l'élancement de la structure favorise l'instabilité de la structure toutefois, son effet sur la tendance du comportement dynamique nonlinéaire des structures cylindriques s'avère négligeable lorsqu'elles sont sujettes aux valeurs limites de flottement en terme de Pcr et ncr. Une très bonne concordance a été révélée entre ces résultats et ceux numériques, analytiques et expérimentales trouvés dans la littérature. Le modèle développé dans cette thèse constitue un outil puissant permettant d'évaluer les caractéristiques vibratoires des structures cylindriques minces fermées et isotropes dans le domaine nonlinéaire et d'offrir, en conséquence, une bonne prédiction de l'instabilité de ces structures lorsqu'elles sont soumises à un écoulement supersonique. Ceci est exaucé grâce à une combinaison entre les avantages de la méthode des éléments finis permettant de traiter les coques avec des formes complexes, avec la précision de la formulation développée admettant comme fonctions de forme les solutions exactes des équations d'équilibre qui découlent de la théorie linéaire des coques. Ces avantages donnent plus de fiabilité aux résultats et offrent plus de robustesse au modèle développé pour traiter les problèmes aéroélastiques.  ABSTRACT: Analysis of the geometrically nonlinear dynamic behaviour of closed and isotropic thin cylindrical structures subjected to supersonic flow has attracted the interest of the scientific community and has been the subject of a large number of research studies during the past decade. The major reason for this is the use of these structures in high-tech fields such as aerospace, aeronautics and nuclear energy. This has created a requirement to develop analytical and numerical models capable of analyzing the phenomenon of dynamic instability and providing accurate predictions, both qualitatively and quantitatively. The advent of new digital tools makes this possible. The majority of studies that have been conducted in this area use a linear approach to address this type of problem. Only a limited number of studies have been devoted to nonlinear analysis of the dynamic behaviour of thin cylindrical shells subjected to supersonic flutter. The aim of this thesis is to propose a model capable of analyzing, linearly and nonlinearly, the dynamic behaviour of thin isotropic cylindrical shells subjected to external supersonic flow, including consideration of the effect of initial stiffening stresses induced by radial and/or axial forces. The developed model also takes into account the effect of initial geometric imperfections, the curvature effect in the circumferential direction of the displacement field and the effect of nonlinear coupling between different modes. It also calculates the point of onset of dynamic instability of the structure and describes its behaviour during phases following the onset of flutter. The method developed in this thesis combines the finite element method, the Novozhilov thin shell theory and aerodynamic fluid theory. Three aspects were at the centre of interest of this research work and are, therefore, divided into three sections. The first part studies the effect of initial stiffening stresses on the dynamic behaviour of axisymmetrical structures. Following this, a formulation is developed for analysis of geometrically nonlinear free vibration of thin cylindrical shells. The third section deals with the effect of aerodynamic forces induced by supersonic air flow on the nonlinear dynamic behaviour of thin, isotropic cylindrical shells by assessing, among others, their state of stability. Axisymmetrical structures are mainly composed of cylindrical, conical and/or axisymmetric elements with variable radius. To ensure better geometric consistency, two semi-analytical finite elements (cylindrical and conical) were used in a hybrid finite element method to model axisymmetric shells. This approach is based on a combination of the classical finite element method and thin shell theory. The displacement functions are derived from exact solutions of Sanders' shell equilibrium equations for cylindrical and conical shells. Linear mass and stiffness matrices are determined based on the expression of elastic strain energy and kinetic energy. The stiffness matrix induced by the initial stiffening stresses, inferred from axial and/or radial forces, is determined from the expression of elastic strain energy associated with the membrane forces. The equations of motion are derived based on the Lagrange method and resolved by considering the eigenvalue system approach. Combined structures are also considered in this study. These are modeled using an assembly of cylindrical and other conical elements and analyzed by applying standard finite element techniques. This modelling approach is advantageous for analysis of combined shells. The effect of axial forces as well as radial pressure is examined. The analysis also includes consideration of variations of the geometric properties and the effect of different boundary conditions on the dynamic behaviour of axisymmetric shells. The critical buckling load is observed to be the lowest in the case of the clamped-free boundary condition of the cylindrical shells. It can be noticed that the conical structure loses its bearing capacity and a significant drop of its total rigidity can be noted when the critical loads corresponding to various semivertex angles are reached. We can also discern that the initial stiffening effect is remarkable for large values of the number of circumferential waves. However, it is minimal when the combined structure membrane behavior governs. The results presented in this study show an excellent agreement with those found in the literature, both experimental and numerical. The second part of this thesis is devoted to the analysis of the nonlinear dynamic behaviour (large-amplitude vibration) of thin, closed isotropic cylindrical shells. This is accomplished through the development of a formulation based on a hybrid approach combining Novozhilov's non-linear theory with the classical finite element method. The theory developed in this manuscript is able to include the shell curvature effect in the circumferential direction of the orthogonal displacements and also considers the impact of initial geometric imperfections on the dynamic response of the system. Among others, nonlinear coupling between different modes is taken into consideration. The formulation first takes a general form, expressing shell displacement using a combination of generalized coordinates and spatial functions. Nonlinear kinematic relationships are determined from Novozhilov's theory. The equation of motion is inferred from the Lagrange equations based on an energy approach. Quadratic and cubic nonlinear stiffness matrices are determined after analytical integration of modal coefficients expressed in terms of shape functions. An application of this model is illustrated in a further step, by adopting the displacement functions derived from exact solutions of linear Sander's theory equilibrium equations for thin cylindrical shells. The governing equations of motion are solved with the help of a direct iterative method. Linear and nonlinear frequencies are validated by comparison with the results in the literature. The effect of different parameters including axial and circumferential wave number, length-to-radius ratio, thickness-to-radius ratio and various boundary conditions, on the nonlinear frequencies of cylindrical shells is investigated. The coupling between nonlinear modes accentuates the hardening character of nonlinear vibrations. It has also been found that the fundamental frequency depends closely on the amplitude of the vibrations once we leave the domain of small vibrations. Excellent agreement is observed between the results derived from this theory and those found in the literature. The third part of this research presents a model for analyzing the nonlinear dynamic behaviour of closed and isotropic thin cylindrical shells subjected to radial pressures and/or axial forces and exposed to supersonic airflow. The structural mass and stiffness matrices are obtained using an energy approach. The stiffness matrix induced by the initial stiffening stresses is calculated based on the expression of strain energy of the membrane force. A linear analysis is performed to identify natural modes, which are then used in the nonlinear analysis as a spatial function to determine the cubic nonlinear stiffness matrix based on analytical integration of modal coefficients. The local aerodynamic pressure exerted by the fluid on the structure is derived from linear piston theory, with and without consideration of the terms of curve corrections. The correlation between the aerodynamic pressure and the radial component of the fluid velocity vector enables expression of the aerodynamic force according to the calculated displacements at any point of the structure. The fluid stiffness and damping matrices are determined by analytical integration of the aerodynamic pressure force. The governing equations of motion are derived using the Lagrange method and solved numerically with the help of a direct iterative method. Numerical studies are conducted highlighting that the dynamic behaviour's nonlinear trend is a softening type. Results of these studies also illustrate the effects of different parameters including internal pressure, nonlinear coupling, circumferential wave number, radius-to-thickness ratio, length-to-radius ratio and boundary conditions on the nonlinear dynamic behaviour of the cylindrical shell at the onset of flutter and during the flutter stage. It is revealed that the more slender the structure, the more vulnerable it will be to dynamic instability by flutter. Moreover, the internal pressure has stabilizing influence on the homogeneous isotropic cylindrical shell and the increase in the length to radius ratio of the structure hastens the flutter instability. Good agreement is found between the results obtained using the present approach and those published in the literature. The model developed in this thesis is a powerful tool for evaluating the vibratory characteristics of closed and isotropic thin cylindrical shells in the nonlinear domain and offering, therefore, a good prediction of the instability of these structures when subjected to supersonic flow. This is achieved through a combination of the advantages of the finite element method for treating shells with complex shapes and the precision of the developed formulation employing exact solutions for the displacement functions. These advantages give more reliability to the results and offer more robustness to the developed model to treat aeroelastic problems.


identifier: Yaali, J. (2021). HFT Data Visualization  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

title: HFT Data Visualization

abstract: RÉSUMÉ: Le trading à haute fréquence (HFT, pour “High Frequency Trading”) est un type de trad- ing basé sur des infrastructures à haut débit. Les machines de trading génèrent d'énormes quantités de messages de trading difficiles à explorer pour les chercheurs financiers et les traders. Les outils de visualisation des données financières se concentrent généralement sur la gestion de portefeuille et l'analyse des relations entre le risque et le rendement. Outre la relation risque-rendement, il existe d'autres caractéristiques qui attirent les chercheurs financiers comme la liquidité1 et les événements de mouvements rapides des indicateurs de marché. Les chercheurs HFT peuvent extraire ces caractéristiques des données HFT car elles montrent tous les détails des mouvements du marché. Dans ce mémoire, nous pro- posons une méthodologie de visualisation, que nous appelons HFTViz, conçue pour aider les chercheurs en données financières à explorer l'ensemble de données HFT fournies sur le marché d'échange NASDAQ. HFTViz fournit un tableau de bord complet visant à faciliter l'exploration des données HFT. HFTViz propose un design à deux niveaux. Premièrement une vue d'ensemble du marché à une date précise. Deuxièmement, après avoir sélectionné quelques actions à étudier en détail, la visualisation fournit également une vue détaillée des messages de trading, des volumes de trading et des mesures de liquidité. Nous évaluons la méthodologie proposée en réalisant une études de cas regroupant cinq experts du domaine, dans laquelle nous illustrons l'utilisabilité de HFTViz.  ABSTRACT: High Frequency Trading (HFT), mainly based on high speed infrastructure, is one element of the trading industry. However, trading machines generate enormous quantities of trad- ing messages that are difficult to explore for financial researchers and traders. Visualization tools of financial data usually focus on portfolio management and the analysis of the rela- tionships between risk and return. Beside risk-return relationship, there are other features that attract financial researchers like liquidity2 and moments of flash crashes in the market. HFT researchers can extract those features from HFT data since it has shown every detail of the market movement. In this work, we present HFTViz, a visualization tool designed to help financial researchers explore the HFT dataset provided on NASDAQ exchange. HFTViz provides a comprehensive dashboard aimed to facilitate HFT data exploration. HFTViz con- tains two sections. It first proposes an overview of the market on a specific date in order to enable user for selecting different stocks. After selecting some stocks to investigate in detail, HFTViz also provides a detailed view of the trading messages, the trading volumes and the liquidity measures. Also, in the details panel, HFTViz provides synchronous hovering and zooming for controlling the level of details for all stocks simultaneously. In order to evalu- ate our work, we did two case studies gathering five domain experts and we illustrate the usefulness of HFTViz, which eases their analysis process [1].


identifier: Rousseau, M. (2021). Étude numérique de la réduction du transport advectif de contaminants entre les fosses remblayées et l'environnement par l'utilisation de chemins d'écoulements préférentiels  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie minière a un rôle prépondérant à jouer dans l'approvisionnement mondial de métaux pour soutenir le développement économique des nouveaux pays industriels, le développement des nouvelles technologies ainsi que la transition énergétique. Cependant, les mines génèrent une grande quantité de rejets solides dont les approches de gestion actuelles, notamment les aires de déposition en surface, posent de nombreux défis en termes de stabilité géotechnique et environnementale. La prise en compte des changements climatiques est de plus susceptible d'amplifier ces problématiques, augmentant les coûts et les incertitudes sur l'avenir de ces approches. La déposition des rejets miniers dans les fosses apparaît donc comme une alternative prometteuse aux méthodes de gestion actuelles. Son principal avantage est qu'elle permet notamment d'isoler physiquement les rejets en les plaçant sous la surface, supprimant alors les risques géotechniques. Néanmoins, de récentes études ont montré qu'une telle approche ne permettait pas toujours de résoudre certaines problématiques environnementales, notamment en raison de l'écoulement de l'eau souterraine dans les rejets remblayés qui pourrait contribuer à disperser d'éventuels contaminants vers l'environnement. Une approche envisagée pour contrôler l'écoulement de l'eau dans les rejets et limiter leurs interactions avec l'environnement consiste à créer des chemins d'écoulements préférentiels dans et autour des fosses afin de dévier les flux d'eau souterraine des rejets problématiques et d'éviter toute contamination. D'une part, ces chemins d'écoulements préférentiels peuvent être formés par la déposition conjointe dans la fosse de différents types de rejets avec un fort contraste de perméabilité. Néanmoins, les précédentes études sur le sujet ne s'intéressaient qu'à des chemins préférentiels sous la forme d'une enveloppe perméable, sans qu'aucune preuve n'ait été avancée quant à son optimalité. D'autre part, ces chemins préférentiels pour- raient se former naturellement dans le roc fracturé grâce à la présence d'une zone endommagée le long des murs des fosses due aux activités d'excavation. Le rôle de cette zone endommagée formant une enveloppe perméable naturelle n'a cependant jamais été étudié et son efficacité nécessitait donc d'être quantifiée. L'objectif général du présent projet de recherche était donc de développer de nouveaux outils numériques pour l'étude des chemins préférentiels d'écoulement dans et autour des fosses puis de proposer des recommandations en vue de réduire le transport de contaminants entre les rejets remblayés et l'environnement par l'utilisation de la zone endommagée ou de chemins préférentiels créés artificiellement. Une approche numérique en trois dimensions, appuyée par une approche analytique, a été choisie pour mener à bien ce projet. De nouveaux outils ont premièrement été développés afin de faciliter la création de modèles et l'entrée de jeux de données. Ils comprenaient, entre autres, une interface entre le logiciel de conception assistée par ordinateur Salomé, le mailleur Vorpalite et le code de simulation hydrogéologique PFLOTRAN, et ont permis de rendre la création de modèles numériques plus simple, plus intuitive, mais aussi mieux contrôlée. Le code de simulation PFLOTRAN a en outre été modifié afin de pouvoir simuler l'écoulement de l'eau souterraine dans la zone endommagée et de permettre l'enregistrement de variables liées à la résolution de systèmes adjoints pour l'optimisation des chemins préférentiels. Avec ces nouveaux ajouts, PFLOTRAN est ainsi devenu l'un des premiers logiciels d'écoulement souterrain à proposer la sortie des sensibilités pour la résolution des systèmes adjoints. Dans un second temps, la justesse de l'approche numérique développée ainsi que les modifications apportées aux codes a été vérifiée. D'une part, l'écoulement et le transport de contaminants dans un modèle physique de laboratoire représentant une fosse remblayée avec une enveloppe perméable (rapporté dans la littérature) ont été simulés numériquement puis com- parés aux mesures effectuées. Cette première vérification a permis de montrer que l'approche numérique utilisée dans le projet était en mesure de reproduire les phénomènes essentiels observés dans le modèle physique. Un découplage du transport de soluté dans les chemins préférentiels et dans le roc a aussi été mis en évidence, permettant ainsi de se focaliser sur les processus à l'échelle de la fosse. D'autre part, la capacité du code PFLOTRAN à simuler correctement l'écoulement dans les chemins préférentiels situés dans la zone endommagée a été vérifiée avec succès en comparant les résultats des simulations numériques avec une solution analytique en deux dimensions et spécialement développée. La déviation de l'eau souterraine dans la zone endommagée autour des fosses a ensuite été quantifiée. L'étude a été menée de manière stochastique sur la base de 124 000 simulations numériques. Cette approche a permis d'observer des tendances générales et de dériver de nouveaux indicateurs d'efficacité génériques. Ces travaux ont notamment contribué à montrer que la zone endommagée pouvait agir comme enveloppe perméable naturelle à condition que celle-ci soit fracturée et large, et que la fosse soit remblayée avec des rejets de faible conductivité hydraulique. Dans ces conditions, les flux d'eau souterraine dans les rejets pour- raient être réduits de plus de 90%. En outre, une nouvelle approche permettant de prédire la déviation de l'eau souterraine dans la zone endommagée dans un intervalle de ± 20% a été proposée avec un modèle semi-analytique invoquant deux propriétés de la Zone Endommagée par Sautage (ZES) facilement mesurables sur le terrain. Ces résultats ont de plus permis de dériver des critères plus précis que ceux de la littérature afin d'assurer que la zone endommagée agisse bien comme une enveloppe perméable naturelle. Cette étude a permis de démontrer le rôle central que peut jouer la zone endommagée dans la réduction des flux d'eau souterraine dans les rejets et transport de contaminants depuis la fosse vers l'environnement. Enfin, la dernière étape de cette étude consistait à optimiser, au moyen d'une approche topologique, la géométrie des chemins préférentiels construits avec des roches stériles très perméables et placées dans une fosse remblayée avec des résidus contaminés peu perméables. Une proto-librairie Python a spécialement été développée afin de faciliter le développement de l'approche d'optimisation, puis a été utilisée pour optimiser la géométrie de chemin préférentiel permettant de minimiser le flux d'eau souterraine dans des rejets remblayés pour plusieurs formes de fosses. L'optimisation a globalement permis de valider les pratiques actuellement en vigueur en démontrant l'optimalité de l'enveloppe perméable pour la plupart des cas simulés. Elle a aussi contribué à améliorer la position des chemins préférentiels lorsque l'écoulement régional était orienté selon l'axe mineur d'une fosse elliptique. Dans ce cas, des géométries non conventionnelles composées de conduits de roches stériles à l'intérieur des résidus ont permis de diminuer le transport advectif de plus de 40% comparativement à une enveloppe perméable seule. Les résultats obtenus dans cette étude constituent donc une avancée dans la caractérisation des chemins préférentiels dans la zone endommagée autour des fosses, l'optimisation de la géométrie des chemins disposés dans les fosses, et plus globalement pour la réduction des interactions entre les rejets remblayés et l'environnement. Ces travaux ouvrent aussi la voie à de futurs développements, notamment la validation sur le terrain de l'utilisation de la zone endommagée comme structure de confinement, l'amélioration de l'approche d'optimisation par la considération d'autres contraintes opérationnelles, ou encore son application à d'autres problématiques en environnement minier. Les résultats de ce projet de recherche contribuent à réduire les incertitudes et l'empirisme liés à la déposition des rejets miniers dans les fosses, et devraient permettre d'améliorer l'approche tout en garantissant une meilleure stabilité physique et géochimique des rejets à long terme.  ABSTRACT: Mining industry had a key role to play to support the supply of raw materials needed for the development of new technologies, the economic development of emerging countries and the energy transition. However, mine operations generate a large quantity of solid wastes which raise several geotechnical and geochemical challenges and especially regarding their disposal and management. Projected climate change may also modify the environmental conditions surface storage facilities were designed for, therefore adding further uncertainty to disposal site design and increasing the risks for instabilities. In-pit mine wastes disposal therefore appears as a promising alternative management approach which benefits from many advantages, such as the permanent isolation of mine wastes below ground (thus significantly reducing the geotechnical instability risks), or the improvement of the social acceptance of such projects by the public and regulators. However, geochemical interactions between the wastes disposed in-pit and the surrounding rock are expected and groundwater flow could contribute to disperse contaminants contained in the backfilled wastes in the environment. One of the common approaches to control the interactions between in-pit disposed wastes and the environment consists in using preferential flow paths in or around the backfilled pit to divert groundwater streamlines from the wastes, thus preventing contamination. Such preferential flow paths can be created using codisposal of different wastes with a significant hydraulic conductivity contrast. Previous studies have, however, only considered preferential flow paths placed to formed a pervious surround, despite the optimality of such a geometry was not proven. An alternate way to create preferential flow paths could be to use the damaged zone along the pit walls created by mining operations. Such an approach was yet never assessed. The objective of this research was therefore to, first, develop new numerical tools to the study the performance of preferential flow paths in and around backfilled pits, and then to propose recommendations to optimize the deviation of groundwater flow from in pit disposed wastes, using either natural or constructed preferential paths. A three-dimensional numerical approach, supported and validated by an analytical approach, was used in this study. This numerical approach required the development of new tools to facilitate data input and output to numerical models. The computer-aided design software Salomé was thus interfaced and coupled with the subsurface flow and transport code PFLO- TRAN and the Vorpalite mesher. This new interface especially aimed to ease and improve control of the creation of numerical models and was actively used during the whole research. The code PFLTORAN was also modified to simulate the groundwater flow in the damaged zone and to output new variables to enable adjoint problem solving. With these changes, PFLOTRAN became one of the first hydrogeological software to provide the sensitivities required to solve high dimensional optimization problems. Then, the accuracy of the simulation approach and of the PFLOTRAN code improvements were verified against an experimental model taken from the literature and an analytical solution. Solute transport in a laboratory-sized physical model of a backfilled pit with a pervious surround was first modeled using the numerical approach developed in the present project and was compared to experimental measurements. Comparison showed the numerical approach was able to reproduce the hydrogeological behaviour observed in the physical model. A decoupling of solute transport between the pit and the surrounding rock was also observed, thus suggesting it would be possible to focus on the processes at the pit scale, without requiring a detailed representation of the fractured rock in practice. The capacity of PFLOTRAN to accurately simulate preferential flow paths in the damaged zone was also verified by com- paring numerical simulation results with a two-dimensional analytical solution. This second validation demonstrated that PFLOTRAN was able to simulate accurately the water flow deviations in the damaged zone. The deviation of groundwater in the damaged zone around the pit was then assessed using a stochastic approach based on 124 000 numerical simulations. This approach allowed to determine general trends, and to derive new indicators to evaluate its performance related to groundwater flow in backfilled wastes and advective solute transport reduction. Results showed that the damaged zone could act as a natural pervious surround provided it was sufficiently fractured and thick and the pit was backfilled with low permeability wastes. In this case, the damaged zone was able to reduce waterflow in backfilled wastes by more than 90%. A new approach to evaluate water deviation in the damage zone was also proposed. A semi-analytic model was developped based on two parameters that could be easily determined in the field, and was ±20% accurate. Results also permitted to derive more precise engineering criteria than those available in the literature to ensure that the damaged zone would act as a natural pervious surround. Finally, this study highlighted the potential of the blast damaged zone for reducing groundwater flow contaminants transport from the backfilled pit to the environment. The last step of this study consisted in optimizing the geometry of preferential flow paths made of inert waste rocks placed in a pit backfilled with potentially contaminating tailings. A topology optimization approach (applied for the first time to a hydrogeological problem) was used to minimize groundwater flow entering the disposed wastes and the advective solute transport from the backfilled pit to the environment. A Python proto-library was created to prototype and develop the objective function and operational constraints, and improve the optimization process. Overall, results confirmed the good performance of the current practice and proved that the pervious surround geometry was suboptimal for most of the pit geometries considered. Topological optimization also allowed to propose an improved design when the regional flow was oriented along the minor axis of an elliptical pit, in which case unconventional geometries composed of waste rocks conduits through the tailings allowed to decrease the groundwater flow in backfilled tailings by approximately 40% compared to a non-optimized pervious surround alone. The results obtained in this study therefore provided new knowledge related to the characterization of preferential paths in the damaged zone around the pits, the optimization of pervious surrounds geometry, and more generally to the reduction of groundwater flow in backfilled wastes contaminants transport to the environment. This work also paves the way for future developments, in particular the field-scale validation of the damaged zone role as a containment structure, the improvement of the optimization approach by considering other operational constraints, or its use to other mining environment problems. Finally, the results of this research project contributed to reducing the uncertainties related to mine wastes disposal in open-pits, and to improving the long term physical and geochemical stability of the disposed wastes.


identifier: Masse-Dufresne, J. (2021). Transience of Bank Filtration in Snowmelt-Dominated Basins: from Tracer-Based Characterization to Monitoring and Operational Strategies  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La filtration sur berge (FSB) est une méthode de prétraitement pour la production d'eau potable qui s'appuie sur la capacité naturelle des sédiments à atténuer les contaminants. Étant donné que les systèmes de FSB fonctionnent dans des conditions transitoires, il est difficile de prédire leur efficacité, tout particulièrement lors d'inondations. Toutefois, le fonctionnement de ces systèmes dans les régions où le cycle hydrologique est fortement marqué par la fonte des neiges (impliquant des crues printanières et des inondations fréquentes) reste encore peu étudié et méconnu. L'objectif de cette thèse était de révéler la dynamique de l'écoulement des eaux souterraines sur un site de FSB affecté par des inondations printanières induites par la fonte des neiges. Les objectifs spécifiques étaient : (1) de distinguer le rôle des contrôles anthropiques et météorologiques sur l'origine et la qualité physico-chimique de l'eau brute pompée, (2) de développer une stratégie de surveillance à courte échelle de temps pour révéler la dynamique spatio-temporelle des schémas d'écoulement lors de crues extrêmes, et (3) de différencier le rôle des apports directs d'eau de crue et du stockage souterrain temporaire des eaux de crue dans le bilan hydrique d'un lac alimentant le site de FSB. Premièrement, un modèle de mélange binaire transitoire a été développé pour étudier la compétition entre les forçages anthropiques et météorologiques sur l'origine de l'eau pompée à une échelle mensuelle. Sachant que les sites de FSB sont opérés sous des conditions hautement transitoires, il apparaissait crucial de déterminer la variabilité spatiotemporelle de l'origine de l'eau pompée induite par le pompage (forçage anthropique) et les variations des niveaux d'eau (forçage météorologique). Il a été démontré que les schémas de pompage peuvent être utilisés pour contrôler l'origine et la qualité de l'eau pompée. L'opération des puits de pompage sur une base continue a permis de moduler l'origine de l'eau pompée en contrant l'effet des variations des niveaux d'eau, sauf pendant une période de crue. Une telle opération à un débit de pompage élevé a contribué à maintenir la contribution du Lac A à ~62% (le reste correspondant au Lac B) et à limiter les concentrations totales de fer (Fe) et de manganèse (Mn) dans l'eau pompée. À l'inverse, l'opération des puits de pompage sur une base intermittente ou occasionnelle a entraîné de plus importantes variations de l'origine de l'eau à l'échelle annuelle et a détérioré la qualité physico-chimique de l'eau pompée. Deuxièmement, la combinaison de traceurs environnementaux, incluant la conductivité électrique (CE), les isotopes stables de la molécule d'eau (δ18O- δ2H) et la température, accompagnée par la mise en place d'un programme de suivi à court terme, a permis de mieux comprendre la dynamique des schémas d'écoulement des eaux souterraines de l'échelle quotidienne à mensuelle, pendant et après un événement de crue extrême. Il est reconnu que les crues représentent un enjeu pour l'opération des systèmes de FSB. En effet, la qualité des eaux de surface est typiquement détériorée et des temps de séjours courts sont souvent observés aux systèmes de FSB pendant des crues. Par conséquent, les systèmes de FSB sont potentiellement plus vulnérables à différentes contaminations pendant les inondations. Les différents traceurs se sont avérés complémentaires, fournissant des informations pouvant aider à anticiper les changements de la qualité microbienne de l'eau et à guider le moment et la fréquence des échantillonnages et analyses garantissant la qualité microbiologique de l'eau distribuée. Alors que l'évolution de la CE et de δ18O aux puits de pompage et au mélange pompée ont révélé une évolution progressive de l'origine de l'eau sur une période d'un mois, les mesures automatiques de la température et de la CE au niveau des puits d'observation ont permis de détecter des perturbations au niveau des schémas d'écoulement à une échelle de temps quotidienne. Le suivi des traceurs environnementaux a également permis de suivre l'impact de la rupture d'une digue sur l'origine de l'eau dans la berge. Un suivi en continu de la CE et de la température a permis de constater une réorganisation rapide (c.-à-d. sub-journalière) des schémas d'écoulements souterrains, menant à une inversion temporaire des gradients hydrauliques à proximité des puits et un changement de l'origine de l'eau pompée. Enfin, le suivi de δ18O dans les puits de pompage a permis de décrire l'évolution du système suite à l'événement de crue. Tel qu'anticipé, l'opération des puits à des débits de pompage élevés (c.-à-d. ≥ 1000 m3/jour) a accéléré le retour aux conditions observées avant la crue. Troisièmement, un bilan de masse isotopique transitoire a été développé pour estimer les apports en eau souterraine et en eau de crue au Lac A (c.-à-d., principale source d'eau de surface aux puits de pompage), en vue de comprendre la résilience de l'hydrosystème aux changements. Le modèle a révélé que les apports en eau souterraine dominaient le bilan hydrique annuel, les eaux souterraines représentant 60 à 72 % des apports totaux sur l'échelle de temps annuelle. Cependant, si l'on tient compte du potentiel stockage souterrain temporaire (et de la décharge) des eaux de crue, la répartition entre les apports en eau souterraine et en eau de surface tend à s'égaliser. Ceci implique que les apports et le stockage des eaux de crue contribuent à augmenter la résilience du lac face à des changements de quantité et de qualité des apports en eau souterraine. Ainsi, les inondations récurrentes semblent contribuer positivement à l'hydrosystème et permettent d'assurer la production d'eau potable au site de FSB. En considérant l'ensemble, cette thèse fournit à la fois des approches méthodologiques et des résultats concrets pour améliorer la connaissance du fonctionnement des systèmes de FSB soumis à des crues printanières récurrentes. Cette recherche a exploré la dynamique des schémas d'écoulements souterrains et du stockage des eaux de crue, du pas de temps journalier à annuel, à la fois à l'échelle du site de BF et de l'hydrosystème. Des stratégies d'opération et de suivi ont été appliquées et testées. Elles contribuent maintenant aux solutions dont disposent les opérateurs et les chercheurs pour gérer la qualité de l'eau. Ce travail profite donc aux gestionnaires de l'eau et aux scientifiques, car il peut contribuer à améliorer l'opération des sites de FSB existants et à la planification de futurs projets de FSB, en particulier dans les régions où le cycle hydrologique est affecté par la fonte des neiges.  ABSTRACT: Bank filtration (BF) is a pre-treatment technology to produce drinking water that benefits from the natural capacity of the sediments to attenuate contaminants. As BF systems operate in transient conditions, predicting their efficiency is difficult, especially under flood conditions. Meanwhile, little has been done to understand how these systems function in snowmelt-dominated basins, where the hydrological cycle is shaped by springtime freshets and frequent flood events. The objective of this thesis was to reveal the dynamics of groundwater flow patterns at a BF site affected by recurring springtime flood events. The specific objectives were: (1) to distinguish the role between anthropic and meteorological controls on the mixing ratios and on the physico-chemical quality of the raw water, (2) to develop a short time-step monitoring strategy to reveal the spatiotemporal dynamics of the groundwater flow patterns under extreme flood events, and (3) to differentiate the respective role of direct floodwater inputs and temporary subsurface storage of floodwater on the water balance of a lake used as source water for the BF site. First, a time-varying binary mixing model was developed to investigate the competition between anthropic and meteorological forcings on the origin of pumped water at a monthly timescale. Given that the BF sites are operated under highly transient conditions, it appeared crucial to determine the spatiotemporal variability of the origin of raw water due to pumping (anthropic forcing) and water level variations (meteorological forcing). It was shown that pumping schemes can be used to control the origin and quality of the pumped water. The operation of the pumping wells on a continuous basis allowed to outweigh the meteorological control (i.e., water levels), except during flood event. Such pumping scheme at high pumping helped at maintaining the mixing ratios at ~62% of Lake A water and at limiting the total iron (Fe) and total manganese (Mn( concentrations in the pumped water. Conversely, the operation of wells on an intermittent or occasional basis resulted in large variations in mixing ratios (i.e., from 0% to 100%) on the annual timescale and was found to deteriorate the physcio-chemical quality of the pumped water. Second, an optimized combination of environmental tracers, including electrical conductivity (EC), stable isotopes of the water molecule (δ18O- δ2H) and temperature, and a short time-step monitoring, allowed to better understand the daily to monthly dynamics of groundwater flow patterns reorganization during and after an extreme flood event. It is recognized that floods represent a challenge for the operation of BF systems. In fact, the quality of surface water is typically deteriorated, and short travel times are often observed at BF systems during floods. Thereby, BF systems are vulnerable to various contaminations during inundation. The different tracers were found to be complementary and to provide information that can help at anticipating microbial water quality changes and guide the timing and the frequency of more expensive and time-consuming monitoring analyses (e.g., bacteriological indicators) to secure the production of high-quality drinking water. While the evolution of EC and δ18O in the pumped mixed water and at the pumping wells revealed a gradual evolution of the origin of water over a 1-month period, automated measurements of temperature and EC at observation wells allowed to detect changes in the groundwater flow patterns at a daily timescale. Monitoring for environmental tracers additionally allowed to track the impact of a dyke failure on the origin of the bank filtrate. A continuous monitoring of CE and temperature revealed a rapid reorganization of the groundwater flow patterns, leading to a temporary inversion of the hydraulic gradients in the vicinity of the pumping wells and a change in the origin of the pumped water. Lastly, the monitoring of δ18O at the pumping wells helped at depicting the recovery dynamics to normal conditions. As expected, the operation of wells at high rates (i.e., ≥ 1000 m3/day) accelerated the recovery to pre-flood mixing ratios. Third, a volume-dependent stable isotope mass balance was developed to estimate the partitioning between groundwater and floodwater to Lake A (i.e., principal source water to the pumping wells), in order to depict the resilience of the hydrosystem to changes. The model revealed that groundwater inputs dominated the annual water budget, with groundwater representing 60%-72% of the total inputs on the annual timescale. However, when considering the potential temporary subsurface storage (and discharge) of floodwater, the partitioning between groundwater and surface water inputs tends to equalize. This implies that floodwater inputs and storage contribute to increase the resilience of the lake to groundwater quantity and quality changes. Thereby, the recurring floods appear to contribute positively to the hydrosystem and help at securing the sustainability of drinking water production at the BF site. Considering all parts, this thesis provides methodological approaches to enhance knowledge on the functioning of BF systems affected by recurring springtime freshets. This research explored the dynamics of groundwater flows and floodwater storage from the daily to annual timescales at both the BF site scale and hydrosystem scale. Monitoring and operational strategies were applied and tested. They now contribute to the solutions that operators and scientists dispose to manage water quality. This work thus benefits to the water managers and scientists, as it can help at operating existing BF sites and planning future BF projects in snowmelt-dominated basins.


identifier: Poirier, C. (2021). Évaluation de la qualité et de la diversité des alternatives de transport en commun  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les transports collectifs jouent un rôle majeur dans la lutte aux changements climatiques et la réduction de gaz à effet de serre. Ils sont essentiels afin d'assurer une mobilité durable en milieu urbain. En effet, ils contribuent à la réduction de la dépendance à l'automobile et sont moins polluants que les autres modes motorisés dû à leur plus grande capacité. Toutefois, il faut veiller à ce qu'ils soient compétitifs. Bien souvent, les réseaux de transport en commun sont conçus pour répondre à la demande de déplacements domicile-travail en période de pointe, principalement à partir des banlieues vers le centre-ville. Or, l'offre de transport en commun doit répondre aux besoins de mobilités d'une variété d'individus et de motifs de déplacement, et ce pour toutes les heures de la journée. De plus, il faut assurer une qualité et une diversité de trajets afin d'améliorer l'attractivité de ce mode et réduire la vulnérabilité des usagers, puisque n'avoir qu'un seul trajet possible pour se déplacer rend les usagers vulnérables aux imprévus et incidents sur le réseau. À cet effet, il est nécessaire de se questionner sur la qualité et la diversité des alternatives de transport en commun. Une alternative de transport en commun est une séquence unique de lignes et de correspondances entre une origine et une destination à un moment spécifique. La diversité d'alternatives fait référence au nombre de trajets dont dispose un usager pour effectuer un déplacement à un moment précis.» Et  ABSTRACT: Public transportation plays a major role in the fight against climate change and the reduction of greenhouse gases. They are essential to ensure sustainable mobility in cities. Indeed, they help reduce car dependence and are less polluting than other motorized modes due to their greater capacity. Therefore, we must ensure their competitivity. Often, public transport networks are designed to meet the demand for commuting during peak hours, mainly from suburbs to the city center. However, the supply must meet the mobility needs of a variety of individuals and travel purposes, for all hours of the day. Furthermore, it is necessary to ensure a quality and diversity of itineraries to improve the attractiveness of transit and reduce the vulnerability of users, since having only one possible route makes users much more vulnerable to perturbations on the network. To this end, we must question ourselves about quality and diversity of transit alternatives. A transit alternative is a unique sequence of lines and transfers between an origin and a destination at a specific time. The diversity of transit alternatives refers to the number of routes available to make a trip. The aim of this research project is to assess the quality and diversity of transit alternatives. The underlying assumptions are that some transit alternatives do not meet a minimum quality threshold and that not all users have the same level of quality and diversity of transit alternatives.


identifier: Belgharbi, H. (2021). An Anatomically-Realistic Simulation Framework for Ultrasound Localization Microscopy  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En imagerie vasculaire in-vivo, on tente d'élucider un réseau vasculaire très complexe mais a priori inconnu. Des cartographies impressionnantes de la vascularisation tissulaire sont obtenues à l'aide de la microscopie de localisation par ultrasons (ULM) en suivant des microbulles (MB) à travers des milliers, voire des centaines de milliers d'images. En revanche, les études de validation pour les systèmes d'imagerie n'ont été validés que sur des fantômes composés de tubes ou de microcanaux qui ne reflètent pas la complexité de la vascularisation tissulaire ont été réalisées dans des conditions in-vitro ou in-vivo où les positions de MBs sont inconnues. Des fantômes réalistes réalisés en simulation sont essentiels pour valider la précision de la cartographie vasculaire et optimiser les paramètres, car les positions de MBs de références sont disponibles pour quantifier l'erreur de localisation. Établir la concentration en MBs optimale est un représente un défi, car elle peut être augmentée pour réduire le temps nécessaire pour peupler le réseau vasculaire, mais elle doit rester suffisamment faible pour éviter les interactions indésirables entre les microbulles, ce qui causerait un flou dans l'image résultante. Sans image ou réseau vasculaire de référence, il est très difficile d'évaluer la précision d'un système d'imagerie dans des environnements in-vivo. Par conséquent, un cadre de simulation anatomiquement et hémodynamiquement réaliste a été développé utilisant des données de cerveau de souris in-vivo acquises par microscopie à deux photons. Ce cadre permet de tester en simulation divers paramètres d'acquisition tout en ayant accès à une vérité terrain hautement résolue pour l'évaluation de la performance de la cartographie vasculaire. A partir d'un modèle en graphe, un simulateur de trajectoires de particules a été conçu pour reproduire un flux de microbulles similaire à des données in-vivo. Le simulateur permet d'obtenir des positions de MBs de référence qui peuvent ensuite être utilisées pour simuler des signaux et des images ultrasonores et sur lesquelles des métriques peuvent être calculées pour évaluer la précision de la cartographie vasculaire. A titre d'exemple, le temps d'acquisition a été calculé en fonction de diverses fréquences de transmission de sondes et de diverses concentrations de MBs. Un lien entre la concentration maximale de microbulles et le volume de la réponse impulsionnelle a été établi, où la concentration optimale de microbulles peut être calculée pour obtenir la meilleure reconstruction vasculaire d'un système d'imagerie. Le cadre développé peut donc être utilisé pour des études paramétriques pour la validation d'algorithmes de formation d'images ULM.  ABSTRACT: In in-vivo vascular imaging, we try to shed light on a very complex, yet unknown vascular network. Impressive mappings of tissue vasculature are achieved using Ultrasound Localization Microscopy (ULM) by following microbubbles (MB) through thousands to hundreds of thousands of images. However, all the validation studies for imaging systems were performed in in-vitro or in-vivo settings, where MB positions were unknown. Realistic simulation phantoms are essential to validate the accuracy of vascular mapping and parameters' optimization since reference MB positions are available. MB concentration is an example of a challenging parameter, since it can be increased to reduce the time needed to populate the vascular network but must remain low enough to avoid unwanted interactions between microbubbles which would cause unwanted blurring of the resulting image. Without a reference vascular network, it is very challenging to assess the accuracy of an imaging system in in-vivo settings. Therefore, we developed an anatomically and hemodynamically realistic simulation framework using in-vivo mouse brain data acquired with two-photon microscopy that allows us to test in simulation various acquisition parameters while having access to a highly resolved ground truth for performance assessment. From a graph model, a particle flow simulator was designed to reproduce a microbubble flow that is similar to in-vivo settings. The designed simulator allows to obtain reference microbubble positions that can be then used to simulate ultrasound signals and reconstruct images on which metrics can be computed to assess the accuracy of the vascular mapping. As an example application, acquisition time was computed as a function of various probe transmit frequencies and various MB concentrations. A link between the maximal microbubble concentration and the volume of the impulse response system was established, from which optimal microbubble concentration can be computed to obtain the best vascular reconstruction of an imaging system. The developed framework can therefore be used for parametric studies for the validation of ULM image formation algorithms.


identifier: Kere, J. (2021). Prédiction d'économies d'énergie de bâtiments après rénovation par la modélisation basée sur les données  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au Canada, le secteur du bâtiment est l'un des secteurs les plus énergivores (Gouvernement Canada, 2021). Sur le cycle de vie d'un bâtiment, la phase d'utilisation est responsable de plus de 80% de la consommation énergétique. Les travaux de rénovation énergétique permettent de réduire cet impact énergétique. Les entreprises de services énergétiques (ESE) ont pour objectif de réaliser des projets de travaux de rénovation énergétique pour leurs clients. Lors de la phase de design des travaux, il est important de pouvoir quantifier le potentiel d'amélioration de l'efficacité énergétique associé aux travaux. Par ailleurs, les domaines de l'apprentissage machine et de la science des données sont aussi de plus en plus présents dans le secteur du bâtiment. Ainsi, le présent mémoire vise à prédire le potentiel de réduction de la consommation d'énergie associé à un projet de rénovation énergétique en utilisant les données d'anciens projets de rénovation énergétique, et de suggérer des mesures d'économie d'énergie. Ce mémoire se concentre sur les bâtiments de type éducatifs. La première partie porte uniquement sur les écoles primaires et vise à tester différents algorithmes d'apprentissage machine afin de prédire le potentiel d'économies d'énergie annuelles pour un nouveau projet de rénovation. L'étude utilise les paramètres du modèle « change-point » comme entrée du modèle et elle a permis d'identifier l'algorithme forêt aléatoire comme le plus efficace. Une seconde étude vise à améliorer et généraliser la méthode de prédiction des économies pour d'autres types de bâtiment éducatifs tels que des écoles secondaires, des universités et des centres de formations. On obtient finalement qu'avec les données d'anciens projets de travaux de rénovation énergétique de la base de données d'Ecosystem, la catégorie générale des écoles primaires et secondaires (K12) sont les bâtiments pour lesquels la méthode peut être validée, avec une erreur de prédiction CV(RMSE) de 42%. Parallèlement, une troisième étude est présentée. Elle cherche à recommander les mesures d'économie d'énergie à implémenter pour atteindre les économies d'énergies. Elle utilise la même source de données (K12) et un algorithme de voisinage kNN (« k-Nearest Neighbors ») est implémenté pour déterminer le regroupement des bâtiments voisins les plus similaires à partir du résultat intermédiaire de l'algorithme. Encore une fois, les paramètres du modèle « change-point » sont utilisés en entrée de l'algorithme. Une fois les voisins trouvés, les mesures d'économie d'énergie réalisées pour ces voisins sont récupérées et sont transférées en sortie de l'algorithme. Une recommandation avec un score F1 de 66% est alors atteinte pour la prédiction des mesures.  ABSTRACT: In Canada, the construction sector is one of the most energy intensive (Gouvernement Canada, 2021). The operation phase is responsible for more than 80% of the energy consumption over the life cycle of a building. Energy retrofit projects present a solution to reduce this energy impact. The objective of energy service companies (ESCO) is to carry out energy retrofit projects for their clients. During the design phase of a project, it is important to be able to evaluate the potential energy savings. In parallel, the fields of machine learning and data science are increasingly present in the building sector. Thus, this master thesis aims to predict the energy savings potential of energy retrofit projects using a data-driven approach based on data from past projects, and to recommend measures to achieve the energy savings. The project focuses on educational buildings as a case study. The first part focuses on primary schools only and aims to evaluate different machine learning algorithms for the prediction of the potential for annual energy savings of a new retrofit project. It uses the parameters of the change-point model as the input to the machine learning model and shows that the random forest algorithm is the most efficient one. The second part aims to improve and generalize the method of energy savings predictions for other types of educational buildings such as secondary schools, universities and training centers. It is shown that with the data from Ecosystem's database, the general category of primary and secondary schools (K12) are the buildings for which the method can be validated with a prediction error CV(RMSE) of 42%. The third party seeks to predict the energy saving measures to be implemented to achieve energy savings. It uses the same data source (K12) and a kNN algorithm is implemented to determine the most similar neighboring buildings using the intermediate result of the algorithm. Again, the parameters of the change-point model are used as input to the algorithm. Once the neighbors are found, the energy measures implemented for these neighbors are retrieved and transferred to the output of the algorithm. An F1 score of 66% is reached for the prediction of the measures. Keywords: Energy retrofits, Machine learning, Random forest, Change-point model, Educational buildings