identifier: Fuentes, A. (2022). Impact des changements climatiques sur le bilan hydrique et la qualité de l'eau dans un lac de fosse  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les lacs de fosse constituent une solution de restauration fréquemment utilisée par l'industrie minière afin de limiter l'oxydation des minéraux sulfureux contenus dans les murs de fosse et les rejets miniers ennoyés permettant ainsi de contrôler la génération de drainage minier acide (DMA). L'épaisseur de la couverture en eau est généralement considérée comme le facteur critique d'efficacité de cette méthode de restauration. Or, le niveau d'un lac de fosse varie au cours du temps et selon les conditions climatiques. Les changements climatiques (CC) sont donc susceptibles d'affecter durablement l'épaisseur du recouvrement en eau et constituent une source d'incertitude quant aux risques de débordement et à la performance des lacs de fosse à contrôler la génération de DMA à long terme. L'objectif principal de cette étude était de caractériser l'impact des CC sur le bilan hydrique et la qualité de l'eau dans un lac de fosse au moyen d'une approche de mise à l'échelle. Un modèle physique représentant un lac de fosse à échelle réduite a été réalisé au laboratoire. Les équipements installés permettaient de contrôler le niveau phréatique et les variables climatiques (vitesse du vent, humidité relative, température de l'air et radiation solaire). Le niveau du lac, la conductivité électrique et les apports et pertes en eau dans le modèle ont été mesurés et utilisés pour calibrer une équation globale du bilan hydrique. Des simulations numériques, réalisées en combinant les logiciels Seep 3D (Geoslope Int.) et Goldsim (GoldSim Technology Group LLC), ont permis de prédire le bilan hydrique et la qualité de l'eau d'un lac de fosse à échelle réelle.  L'effet des conditions climatiques (localisation du site, modèle climatique, scénario d'émission) et hydrogéologiques (caractéristiques du bassin versant, conductivité hydraulique du roc fracturé, morphologie de la fosse, variabilité du niveau phréatique et son gradient hydraulique) a été évalué au moyen d'une analyse paramétrique. L'évolution du bilan hydrique du lac de fosse et de la qualité de l'eau a été étudiée pour des climats nord-américains actuels et futurs au moyen de divers modèles climatiques (CanRCM4, CRMC5 et HIRHAM5) et scénarios d'émission (RCP 4.5 et RCP 8.5). Les résultats ont révélé que la couverture en eau contrôlait effectivement efficacement la diffusion de l'oxygène depuis la surface, et que l'écoulement des eaux souterraines entrant constituait la principale source en oxygène dissous, entrainant ainsi l'oxydation des rejets miniers situés au fond de la fosse. La qualité de l'eau semblait cependant rester acceptable selon la réglementation locale en vigueur. Un lac de fosse devrait donc être conçu de façon à avoir un niveau supérieur au niveau phréatique alentour afin de limiter l'apport d'oxygène dissous. Ainsi, un lac de fosse avec un bilan hydrique négatif (typique des climats chauds et secs) qui favorisait l'écoulement des eaux souterraines entrant était moins performant pour prévenir la génération de DMA qu'un lac de fosse avec un bilan hydrique positif (typique des climats froids et humides). De plus, les lacs de fosse avec un bilan hydrique négatif étaient soumis à l'évapoconcentration, ce qui augmentait encore la contamination du lac de fosse. Cependant, l'industrie minière doit accorder autant d'importance à la protection des eaux souterraines et des eaux de surfaces. C'est pourquoi, dans certains cas et selon le contexte, les lacs de fosse qui agissent comme un piège hydraulique (i.e. avec un bilan hydrique négatif) pourraient être une solution de restauration minière plus adaptée. Dans tous les cas simulés, les CC devraient contribuer à augmenter la température de l'air et les précipitations en particulier pour le climat arctique. Le réchauffement climatique devrait aussi provoquer une diminution de l'enneigement, mais aucun un changement significatif sur l'humidité relative, la radiation solaire et la vitesse du vent. Le taux d'évaporation et des précipitations devraient donc augmenter pour tous les lacs de fosse simulés. Dans la majorité des cas, les CC devraient contribuer à augmenter faiblement le niveau du lac de fosse sans faire varier significativement la qualité de l'eau. Les exceptions observées impliquent cependant qu'une étude au cas par cas est nécessaire pour caractériser l'impact des CC sur chaque lac de fosse. Enfin, l'influence du choix du scénario d'émission sur les résultats était négligeable comparativement au choix du modèle climatique. Cette étude aura permis de proposer plusieurs recommandations afin de concevoir les lacs de fosse comme une solution de restauration minière efficace pour contrôler la génération de DMA et assurer leur résilience face au CC.  ABSTRACT: Pit lakes are often used by the mining industry as a mine reclamation solution to limit the oxidation of sulfidic minerals contained in pit walls and backfilled mine tailings, and to control the generation of acid mine drainage (AMD). The thickness of the water cover in the lake is generally considered the critical factor of this reclamation method. However, the level of a pit lake varies with time and climatic conditions. Climate change (CC) is therefore likely to have an impact on the thickness of the water cover and is a source of uncertainty regarding the long-term performance of pit lakes controlling AMD generation in the long term and the risk of overflowing. The main objective of this research was therefore to characterize the impact of CC on pit lake's water balance and water quality using a multiscale approach. A physical model representing a small-scale pit lake was built in the laboratory. Water level and climatic variables (wind speed, relative humidity, air temperature and solar radiation) were controlled and monitored during the experiments. Lake level, electrical conductivity and water inputs and outputs were measured and used to calibrate a global water balance equation. Numerical simulations, carried out by combining Seep 3D (Geoslope Int.) and Goldsim (GoldSim Technology Group LLC) codes, were then used to predict the water balance and water quality of a full-scale pit lake. The effect of climatic conditions (site location, climate model, emission scenario) and hydrogeological characteristics (watershed, fractured rock mass hydraulic conductivity, pit morphology, water table position and regional hydraulic gradient) were assessed through a comprehensive parametric analysis. The evolution of pit lake water balance and water quality was studied for current and future North American climates using various climate models (CanRCM4, CMRC5 and HIRHAM5) and emission scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5). Results showed that the pit lake was efficient to control oxygen diffusion from the surface, and that the groundwater flow was the main source of dissolved oxygen, eventually contributing to the oxidation of the mine tailings located at the bottom of the pit. However, the water quality seemed to remain acceptable to local regulations. Nevertheless, a pit lake should therefore be designed to guarantee that its level always remains above the surrounding water table to limit the dissolved oxygen ingress toward the pit. As a consequence, a pit lake with a negative water balance (typical of hot and dry climates) may increase groundwater inflow and be less efficient to prevent AMD generation than a pit lake with a positive water balance (typical of cold and humid climates). In addition, pit lakes with a negative water balance may be subjected to evapoconcentration, which could further increase contamination of the pit lake. However, the mining industry must attach equal importance to the protection of groundwater and surface water. This is why, in specific conditions, pit lakes that are used as a hydraulic trap (i.e. with a negative water balance) could be more sustainable mining reclamation solution. In all the simulated cases, CC contributed to increasing air temperature and precipitation, especially for arctic climate. Global warming is also expected to cause a decrease of snow cover but no significant changes in relative humidity, solar radiation and wind speed are expected. Evaporation and precipitation rates should therefore increase for all the simulated pit lakes, and in most cases, CC are expected to contribute to a slight increase in the lake level without significantly affecting the water quality. However, some exceptions were observed and imply that a case-by-case study is necessary to characterize the impact of CC on each pit lake. Finally, the influence of the choice of the emission scenario on the results was negligible compared to the choice of the climate model. Several recommendations were formulated based on this study and should be useful for practitioners to design pit lakes and improve their performance as a sustainable and resilient reclamation solution to control AMD generation.


identifier: Zafarani, A. R. (2022). Development of a Seismic Design Procedure of Tailings Impoundments Reinforced With Waste Rock Inclusions  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La stabilité sismique des installations de stockage de résidus est une préoccupation majeure pour le secteur minier, car ces installations ont été sujettes à des défaillances dans les zones sismiquement actives. La stabilité sismique des parcs à résidus est largement influencée par les propriétés des résidus, qui sont généralement constitués d'un matériau silteux de faible plasticité dans un état lâche et saturé. La génération de pressions interstitielles excessives pendant un tremblement de terre peut entraîner une réduction des contraintes effectives, ce qui provoque une perte de résistance des résidus et la rigidité associées (c'est-à-dire la liquéfaction), ce qui peut provoquer la défaillance d'un parc à résidus. De meilleures méthodes d'analyse des parcs à résidus existants, ainsi que des stratégies de conception appropriées, sont essentielles pour minimiser les défaillances et les dommages qui en découlent. Les inclusions de roches stériles (IRS/WRI) sont l'une des techniques qui peuvent être utilisées pour améliorer la stabilité statique et dynamique des parcs à résidus en raison de leur plus grande rigidité, résistance et conductivité hydraulique par rapport aux résidus. Des études antérieures utilisant des modèles physiques et des simulations numériques ont montré que l'utilisation des IRS dans un parc  à résidus peut accélérer la dissipation des pressions interstitielles excessives et améliorer la stabilité géotechnique des parcs à résidus. Cependant, certaines lacunes subsistent en ce qui concerne l'étude du comportement sismique des parcs à résidus et l'effet des IRS sur leur réponse sismique. Des directives de conception et des méthodologies d'optimisation sont nécessaires pour mieux intégrer cette méthode de co-disposition dans la conception des parcs à résidus. Ainsi, il est nécessaire de mieux quantifier l'effet de divers paramètres, tels que la configuration des IRS (c'est-à-dire la largeur et l'espacement) et la géométrie du parc à résidus, comme la pente et la hauteur en aval, sur différents indicateurs de performance de la stabilité sismique d'un parc à résidus. Les directives de conception devraient également prendre en compte la réponse sismique des parcs à résidus soumis à une variété de mouvements du sol représentatifs des caractéristiques des aléas sismiques anticipés, ce qui est un autre aspect qui n'a pas été évalué de manière adéquate auparavant. L'objectif principal du présent projet de recherche était donc de développer une méthode pour optimiser la conception des inclusions de roches stériles dans un parc à résidus afin d'assurer sa stabilité sismique. Pour atteindre cet objectif principal, une approche de modélisation numérique pour simuler le comportement sismique des parcs à résidus avec et sans IRS a été développée en utilisant le code FLAC Version 8.00. Diverses simulations ont ensuite été effectuées pour étudier comment certaines caractéristiques, telles que l'inclinaison de la pente aval du parc, la hauteur du modèle et la configuration des IRS, affectent le comportement sismique du modèle. La pente aval variait entre 7H:1V et 12H:1V, la hauteur du parc à résidus était comprise entre 20 m et 50 m, la largeur des inclusions était comprise entre 12 et 25 m, et l'espacement entre 55 et 155 m. Les résultats ont indiqué que la réponse sismique du modèle est plus influencée par l'épaisseur du parc à résidus que par la pente aval pour les conditions considérées dans les simulations. De plus, l'effet de la configuration des IRS sur la réponse sismique est moins perceptible dans les parcs à résidus de faible épaisseur en raison de déplacements horizontaux plus faibles que dans les parcs à résidus plus épais. En plus des effets géométriques (c.-à-d. la pente en aval, la hauteur et la configuration des IRS), les effets des mesures d'intensité (MI) du mouvement du sol sur la stabilité sismique des parcs à résidus ont également été étudiés dans le cadre de l'étude paramétrique numérique afin d'élaborer des directives de conception pour l'utilisation des IRS. Dix enregistrements différents de mouvements du sol provenant des bases de données NGA-West2 et NGA-East ont été utilisés pour évaluer la réponse sismique et la stabilité des parcs à résidus avec et sans inclusion de stériles. Des différences significatives entre les réponses du système à la fin de mouvements du sol avec certains MI comparables, ont mis en évidence la nécessité d'identifier le MI (ou les MI) optimal qui présente la meilleure corrélation avec les indicateurs de performance. Les résultats de l'analyse de régression ont montré qu'une combinaison de l'intensité du spectre de la vitesse, VSI (MI1) et de l'accélération maximale du sol, PGA (MI2) avait la plus grande efficacité globale pour les cas évalués. Dans la dernière étape de cette recherche, en utilisant les résultats de l'étude paramétrique numérique, une procédure systématique a été proposée pour évaluer le déplacement induit par la liquéfaction des parcs à résidus renforcés par des inclusions de roches stériles. Un modèle de performance (relation multi-paramètres) a été utilisé pour relier le niveau de déplacement aux caractéristiques du parc à résidus, y compris l'inclinaison de la pente, la hauteur, l'indice de densité des résidus, aux mesures d'intensité optimale des secousses sismiques et la configuration des IRS Les résultats montrent qu'en général, les résultats des simulations et les estimations fournies par le modèle de performance (équation) concordent. Les praticiens peuvent utiliser l'approche simplifiée proposée pour évaluer la performance sismique des parcs à résidus. La procédure doit cependant être utilisée en conjonction avec les résultats des analyses dynamiques non linéaires spécifiques au projet. La méthode proposée devrait également aider à développer des modèles de prédiction déterministes et probabilistes pour évaluer la stabilité sismique des parcs à résidus.  ABSTRACT: The seismic stability of tailings storage facilities is a major concern for the mining industry, as tailings impoundments have been prone to failure in seismically active areas. The seismic stability of tailings impoundments is largely influenced by the properties of tailings, which usually consist of low plasticity silty material in a loose and saturated state. The development of excess pore water pressures during an earthquake may reduce the effective stresses and induce a loss in shear strength and stiffness (i.e., liquefaction), which might cause an impoundment to fail. Improved methodologies for analyzing the stability of existing tailings impoundments, as well as proper design strategies, are essential to minimize failures and the ensuing damage. Waste rock inclusions (WRI) is one of the techniques that can be used to improve the static and dynamic stability of tailings impoundments due to their higher stiffness, strength, and hydraulic conductivity compared to tailings. Previous studies using physical models and numerical simulations have shown that the use of WRI in a tailings facility can accelerate the dissipation of excess pore pressures and improve the geotechnical stability of tailings impoundments. However, a few gaps still remain regarding the seismic behavior of tailings impoundments and the effect of WRI on their seismic response. Design guidelines and optimization methodologies are needed to better integrate this co-disposal method in the design of tailings impoundments. To develop such guidelines, it is necessary to better quantify the effect of various parameters, such as WRI configuration (i.e., width and spacing) and impoundment geometry, such as downstream slope and height, on different performance indicators of the seismic stability of tailings impoundments. Design guidelines should also consider the seismic response of impoundments under a variety of ground motions representative of the anticipated  earthquake characteristics,  which is another aspect  that has not  been adequately evaluated previously. The primary objective of the current research project was therefore to develop a method to optimize the design of waste rock inclusions in a tailings impoundment to ensure its seismic stability. To attain this primary objective a numerical modeling approach for simulating the seismic behavior of tailings impoundments with and without WRI was developed using the code FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua) Version 8.00. Various simulations were then conducted to investigate how selected characteristics, such as the downstream slope inclination of the impoundment, height of the model, and configuration of WRI affect the seismic behavior of the model. The downstream slope was varied between 7H:1V and 12H:1V, the height of the impoundment was between 20 m and 50 m, the width of the inclusions was between 12 and 25 m, and the spacing was between 55 and 155 m. Results indicated that the seismic response of the model is more influenced by the thickness of the tailings deposit than by the downstream slope for the conditions considered in the simulations. Moreover, the effect of the WRI configuration on seismic response is less noticeable in impoundments with smaller tailings thickness due to lower horizontal displacements than in impoundments with a thicker tailings deposit. In addition to the geometry effects (i.e., downstream slope, height, and WRIs' configuration), the effects of intensity measures (IMs) of the ground motion on the seismic stability of tailings impoundments were also investigated as part of the numerical parametric study in order to develop design guidelines for WRI. Ten different ground motion records from the NGA-West2 and NGA- East databases were used to assess the seismic response and stability of tailings impoundments with and without waste rock inclusions. Significant differences between the responses of the system at the end of ground motions with similar PGA and Arias Intensity highlighted the necessity of identifying the most sensitive, or optimum IM (or IMs) that correlate best with the performance metrics. The regression analysis results showed the vector-valued IMs composed of Velocity Spectrum Intensity, VSI (IM1) and Peak Ground Acceleration, PGA (IM2) had the highest overall efficiency for the cases evaluated. In the final step of this research, using the results of the numerical parametric investigation, a systematic procedure was proposed for assessing liquefaction-induced displacement of tailings impoundments reinforced with waste rock inclusions. A performance model (multi-parameter relationship) was employed to link the level of displacement to tailings impoundment characteristics including the slope inclination, height, tailings density index, optimum intensity measurements of earthquake shaking, and WRI configuration. The results show that in general, the simulation results and the estimations provided by the performance model (equation) matched. Practitioners can use the proposed simplified approach to evaluate the seismic performance of tailings impoundments. The procedure should, however, be used in conjunction with the results of project-specific nonlinear dynamic analyses. The suggested method should also help develop deterministic and probabilistic prediction models for assessing the seismic stability of tailings impoundments.


identifier: Bouvier, B. (2022). Mécanismes d'une évaluation progressive des idées d'innovation dans l'industrie de la construction  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La gestion des idées d'innovation est un facteur clé de compétitivité. Elle apparaît comme un accélérateur de réussite et de différenciation sur le marché de la concurrence mondiale pour les organisations de recherche et développement. Toutefois, les évaluations ponctuelles précédant les phases amont du processus d'innovation présentent une incertitude élevée et ne favorisent pas une prise de décision éclairée tout au long du processus. En effet, les idées d'innovation évoluent considérablement au cours des premières étapes de développement et lorsqu'une idée ne répond plus aux besoins initiaux, aucun processus formel ne permet de s'en apercevoir. C'est pourquoi des mécanismes adaptés aux activités de recherche et développement s'appuyant sur une déclinaison progressive des critères d'évaluation sont proposés. Cette proposition s'appuie sur un cas d'étude dans le secteur industriel de la construction. L'objectif de cette recherche consiste ainsi à diminuer l'incertitude de l'évaluation au cours des phases amont de l'innovation tout en évitant un abandon précoce des idées. Le développement des mécanismes d'une évaluation progressive des idées d'innovation en support aux plans de transformation numérique de firmes de construction permet d'atteindre cet objectif. Cette recherche s'appuie sur les contributions scientifiques présentes dans la littérature ainsi que sur les observations effectuées dans un contexte industriel dans le secteur de la construction. À travers la méthodologie DRM (Design Research Methodology), les besoins de notre partenaire industriel ont pu être mis en évidence. Notre partenaire a ainsi manifesté son besoin d'améliorer ses mécanismes d'évaluation des idées afin de prioriser au mieux ses idées d'innovation. Notre proposition finale s'appuie sur les méthodologies de sélection (AHP) et de pondération (BWM) des critères connus dans la littérature. En ajustant la sélection des critères de manière progressive en fonction des activités réalisées à chaque étape d'analyse et de développement, les évaluateurs sont en mesure d'évaluer habilement des critères adaptés aux activités réalisées. Les pondérations associées aux critères d'évaluation sont également déclinées. Cette déclinaison progressive permet de pondérer chaque idée d'innovation de façon formelle et selon un protocole précis à chaque étape de développement. Une prise de décision éclairée sur la poursuite ou non de l'analyse de l'idée est favorisée.  L'application industrielle de cette proposition a permis de valider la pertinence et l'efficience de cette dernière. En comparant une évaluation ponctuelle, qui précède les phases du processus d'innovation, à une évaluation progressive au cours de ces dernières, les mécanismes proposés permettent d'améliorer la fiabilité des évaluations des idées d'innovation. La fiabilité d'évaluation a augmenté jusqu'à 36,6% en la faisant passer de 59,31% à 95,95% à la dernière évaluation progressive dans notre cas d'étude. Également, la dispersion des évaluations autour de la moyenne a été divisée par deux. Une évaluation progressive au cours des phases amont de l'innovation diminue donc l'incertitude d'évaluation et favorise une prise de décision éclairée.   Les principales limitations de notre projet de recherche résident dans l'évaluation des idées. La perception des évaluateurs peut varier grandement selon les expertises propres de chacun. Cette étude a permis de mettre en évidence des pistes de recherches futures. L'étude réalisée pour cette recherche repose sur un temps donné et restreint ne permettant pas une analyse sur le long terme des mécanismes proposés. Une étude sur un nombre plus important d'idées permettrait d'augmenter l'échantillon de données à analyser. Enfin, une boucle de rétroaction entre les évaluations réalisées c'est-à-dire l'estimation de son impact global et les résultats obtenus à la suite de son déploiement serait nécessaire. Cette rétroaction permettrait de valider la pertinence des mécanismes proposés sur le long terme, puis de les ajuster afin de répondre au maximum au cas industriel réel.  ABSTRACT: Innovation idea management is a key factor in competitiveness. It appears to be an accelerator of success and differentiation in the global competitive market for research and development organizations. However, ad-hoc evaluations preceding the upstream phases of the innovation process present a high degree of uncertainty and do not support informed decision-making throughout the process. Indeed, innovation ideas evolve considerably during the early stages of development and when an idea no longer meets the initial needs, there is no formal process to detect it. Therefore, mechanisms adapted to research and development activities are proposed, based on a progressive declension of evaluation criteria. This proposal is based on a case study in the industrial construction sector. This research aims to reduce the uncertainty of the evaluation during the upstream phases of the innovation while avoiding an early abandonment of the ideas. The development of mechanisms for a progressive evaluation of innovation ideas in support of the digital transformation plans of construction firms allows to reach this objective. The research was carried out based on scientific contributions in the literature as well as on observations made in an industrial context in the construction sector. Through the Design Research Methodology (DRM), the needs of our industrial partner were highlighted. Our partner expressed the need to improve its idea evaluation mechanisms to prioritize its innovation ideas better. This proposal is based on the criteria selection (AHP) and weighting (BWM) methodologies known in the literature. By progressively adjusting the selection of criteria according to the activities performed at each stage of analysis and development, evaluators can assess criteria that are adapted to the activities performed skillfully. The weightings associated with the evaluation criteria are also broken down. This progressive approach allows each innovation idea to be formally weighted according to a precise protocol at each stage of development. An informed decision on whether or not to pursue the analysis of the idea is encouraged. The proposed model was validated by comparing an ad-hoc evaluation, which precedes the phases of the innovation process, to an incremental evaluation during these phases, the proposed mechanisms improve the reliability of innovation idea evaluations. The reliability of evaluation increased up to 36.6% from 59.31% to 95.95% at the last incremental evaluation in our case study and the dispersion of evaluations around the average was divided by two. Incremental evaluation during the upstream phases of innovation decreases evaluation uncertainty and promotes informed decision-making. The main limitations of our research project lie in the evaluation of ideas. The perception of evaluators can vary greatly depending on their own expertise. This study has highlighted avenues for future research. The study carried out for this study is based on a study in a given and restricted timeframe that does not allow for a long-term analysis of the proposed mechanisms. A study on a larger number of ideas would increase the sample of data to be analyzed. Also, a feedback loop between the evaluations carried out, i.e., the estimation of its global impact and the results obtained following its deployment would be necessary. This feedback would allow us to validate the relevance of the proposed mechanisms in the long term and then adjust them to respond to the real industrial case as much as possible.


identifier: Lebrigui, A. (2022). Intégration de la durée de séjour dans la planification des priorités opératoires  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet vise à offrir une approche de l'optimisation des priorités opératoires qui prenne en compte l'utilisation des lits, soit au niveau tactique de la programmation. Le modèle développé est destiné à aider l'administration du bloc opératoire du Centre hospitalier de l'Université de Montréal (CHUM) dans la prise de décisions quant à sa planification. Celle-ci a pour objectif de prioriser les patients selon leur temps d'attente, tout en assurant une utilisation optimale des salles et des lits. Dans le cadre du projet, les lits font référence non seulement aux lits de soins intensifs mais également aux lits aux unités chirurgicales de chaque service. Ainsi, ce modèle d'optimisation propose d'utiliser l'information connue sur les patients électifs en attente de chirurgie pour planifier les priorités opératoires. Nous proposons une politique basée exclusivement sur le temps d'attente. De plus, une version du modèle permet également de se prémunir contre l'incertitude que présentent les patients urgents dans la planification, et ce, afin de limiter les annulations causées par les urgences. À cet effet, nous démontrerons l'efficacité de la réservation de salles et du raccourcissement de l'horizon de temps de 28 à 14 jours comme méthodes disponibles pour limiter l'impact respectif des urgences ainsi que des semi-urgences. Notre méthode implique de la programmation linéaire avec un modèle déterministe et des variables entières indiquant le nombre de patients planifiés selon les différentes caractéristiques de patient, ainsi que le nombre de priorités opératoires accordées par service. L'objectif consiste en la maximisation de l'utilisation du bloc opératoire en priorisant les patients selon leur temps d'attente, ainsi que la maximisation de l'utilisation des lits de chirurgie et de soins intensifs. Nous considérons l'attribution d'un poids supplémentaire à certains services en fonction de leur priorité relative aux autres services. Au-delà du format traditionnel d'un modèle de planification des priorités opératoires, notre approche novatrice propose d'intégrer l'utilisation des lits en focalisant sur la durée de séjour en fonction de leur trajectoire de soin. Après une analyse en profondeur du bloc opératoire et de ses patients au CHUM, nous proposons une classification des patients en fonction de leurs diagnostics, leurs besoins en lits, leurs durées de séjour et leurs durées de chirurgie. Nous utilisons pour cela des algorithmes de partitionnement d'ensembles. Les résultats obtenus montrent que la prise en compte des durées de séjour permet d'éviter les déplacements et annulations causés par un manque de lits. Nous discutons aussi de l'emploi d'un horizon de temps plus court afin de mieux considérer la présence de patients semi-urgents, et montrons par une simulation de Monte-Carlo que la réservation de salles pour les urgences diminue efficacement les annulations.  ABSTRACT: The goal of this project is to consider patient length of stay at the tactical level of planning, within the Master Surgery Schedule (MSS). We develop an optimization tool to assist in the decisions taken by the administration of a university hospital. The model aims to prioritize patients according to their time spent on the wait list, while also ensuring an optimal use of the Operating Rooms (OR) and the beds. Within the scope of this project, the beds refer not only to those in the Intensive Care Unit (ICU), but also in the surgical wards for each specialty. As such, our optimization model uses the known data about elective patients awaiting for their surgery in order to generate the MSS according to the fairest policy which involves giving more weight to patients who waited longer. We also suggest variations of the model to better face the uncertainty caused by emergencies. To this effect, we demonstrate the efficiency of slack reservation and shortening of the planning horizon from 4 weeks to 2 weeks as available methods to lessen the respective impact of urgent and semi-urgent patients. Our approach involves linear programming with a deterministic model and integer variables indicating the number of patients planned according to the different patient profiles, as well as the number of daily rooms per specialty. The objective is to maximize both the use of the ORs while prioritizing older surgery requests, as well as the use of available beds at the ICU and the surgical wards. We give a weight to some specialties to account for their relative priority. Beyond the traditional format of an MSS optimization model, our novel approach offers to integrate the length of stay by keeping track of bed occupation by each individual patient, as well as their trajectory. The tracking of patients following their surgeries is done at an increased level of detail through the splitting of each specialty in classes of similar diagnostics. To do so, we use a clustering algorithm in order to group diagnostics based on their length of stay and surgery duration. We distinguish between three types of patients on the wait list, by their need for a hospital stay following their surgery, since it is known to the surgeon. The profiling of patients is the result of an in-depth study of the ORs and the surgical patients at the university hospital, based upon an analysis of historical data. Following an in-depth study of the ORs and its patients at the hospital, we offer to classify patients by their diagnoses, their bed requirements, their length of stay and their surgery duration. To do so, we use a clustering algorithm. The results show that integrating the length of stay allow for less transfers and cancellations caused by a lack of beds. We also discuss the shortening of the planning horizon so as to better account for semi-urgent patients, and demonstrate through a Monte Carlo simulation the performance of room reservation in reducing cancellations.


identifier: Alameddine, T. (2022). Building on Existing District Energy Infrastructure to Decarbonize a Growing Urban Neighborhood  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les gouvernements et les villes ont déclaré l'urgence climatique et ont adopté des objectifs ambitieux pour réduire leurs émissions de gaz à effet de serre (GES). Étant donné que le secteur des bâtiments est responsable de plus d'un tiers des émissions de GES dans le monde, la décarbonation de l'environnement bâti est cruciale pour atteindre les objectifs fixés pour les prochaines décennies. L'électrification est au centre des stratégies de décarbonation des bâtiments, et les réseaux énergétiques de quartiers (REQ) offrent des avantages significatifs pour la transition des combustibles fossiles et l'intégration d'une part plus importante d'énergies renouvelables. Ce mémoire évalue des scénarios pour décarboniser l'un des plus anciens et plus grands réseaux énergétiques du Canada tout en l'étendant à un quartier qui fait l'objet d'un redéveloppement majeur, ajoutant 1,2 million de mètres carrés de surface de plancher. Les scénarios sont basés sur des hypothèses réalistes – mais non confirmées – de phases de construction et aucune évaluation économique n'est effectuée. L'objectif est d'évaluer le potentiel technique de la conversion et de l'expansion de l'infrastructure REQ existante pour participer aux efforts de décarbonation de la ville. Le système énergétique existant dans le centre-ville de Montréal, au Québec, est constitué de trois réseaux : vapeur, eau chaude et eau froide. Les 20 grands bâtiments connectés aux réseaux sont modélisés dans EnergyPlus à l'aide d'archétypes de bâtiments, qui sont calibrés à l'aide de données de consommation d'énergie mesurées fournies par la société qui exploite les réseaux. Ainsi, un profil dynamique de demande de chaleur et de froid a été obtenu pour chaque bâtiment. Les modèles EnergyPlus pour les nouveaux bâtiments sont tirés d'une étude précédente [1], et tous les bâtiments sont simulés avec le même fichier météo typique. Ensuite, chaque réseau thermique est modélisé séparément dans TRNSYS, et sa performance énergétique actuelle est évaluée. Trois scénarios futurs sont définis : le scénario du Business As Usual, le scénario de l'Électrification et le scénario de la Transition Énergétique du Secteur. Le premier sert de base à la comparaison des deux autres scénarios. Dans le scénario Business As Usual, aucune modification n'est effectuée sur les REQ existants, et les nouveaux bâtiments sont supposés être équipés de systèmes de chauffage et de refroidissement typiques des nouveaux bâtiments respectant le code de l'énergie mais sans objectif de décarbonation.  ABSTRACT: Governments and cities have declared a climate emergency and have adopted ambitious targets to reduce their greenhouse gas (GHG) emissions. As the building sector is responsible for more than a third of the GHG emissions globally, decarbonizing the built environment is crucial to meet the goals set for the next decades. Electrification is at the center of strategies to decarbonize buildings, and district energy systems (DES) offer significant advantages to transition from fossil fuels and integrate higher shares of renewables. This thesis assesses scenarios to decarbonize one of Canada's oldest and largest district energy networks while expanding it to a neighborhood undergoing major redevelopment, adding 1.2 million square meters of floor area. The scenarios are based on realistic – but unconfirmed – construction phasing assumptions and no economic assessment is performed. The focus is to assess the technical potential of converting and expanding existing DES infrastructure to participate in the city's decarbonization efforts.   The existing district energy system in the downtown area of Montréal, Québec, consists of three networks: steam, hot water, and cold water. The 20 large buildings connected to the networks are modelled in EnergyPlus using building archetypes. The models are calibrated using measured energy consumption data provided by the company operating the networks. Thus, a dynamic heat and cold demand profile was obtained for each building. EnergyPlus models for the new buildings are taken from a previous study [1], and all buildings are simulated with a consistent typical weather file. Then, each thermal network is modelled separately in TRNSYS, and its current energy performance is assessed.   Three future scenarios are defined: the Business as usual scenario, the Electrification scenario, and the District Energy Transition scenario. The first one sets the base for comparing the two other scenarios. In the Business as usual scenario, no modifications are made to the existing DES, and the new buildings are assumed to be equipped with typical heating and cooling systems for new buildings. The Electrification scenario represents a decarbonization plan where electrification solutions are implemented separately for the district network and the new neighborhood. Finally, the District Energy Transition plan applies different decarbonization methods while connecting the new neighborhood to the existing network.


identifier: Rahimi Pordanjani, S. (2022). Electromagnetic Device Modeling by Circuit-Based Methods  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nouvelles approches basées sur les circuits équivalents sont proposées dans cette étude pour la modélisation électromagnétique de dispositifs magnétiques, tels que les inductances et les transformateurs, dans un logiciel de type EMT (transitoire électromagnétique), comme EMTP. Les méthodes proposées présentent les avantages des méthodes basées sur les circuits électromagnétiques, et peuvent également fournir une représentation détaillée des dispositifs magnétiques comparable à celle de la méthode par éléments finis (MEF). Les approches proposées dans cette thèse permettent une modélisation géométrique détaillée, ainsi que la visualisation de la distribution du flux magnétique et la prise en compte de la saturation du noyau de fer. Les méthodes proposées dans cette thèse peuvent être implémentées dans un logiciel de type EMT en utilisant des éléments standards. Ils peuvent servir dans un logiciel de type EMT pour voir l'effet des réseaux électriques sur les dispositifs magnétiques et inversement. Étant donné que la MEF 2D est préférée à la MEF 3D pour la plupart des applications de systèmes électriques, en raison de sa simplicité, les modèles de dispositifs magnétiques basés sur des circuits équivalents sont d'abord présentés en mode 2D. Ensuite, ils sont améliorés pour prendre en compte les effets tridimensionnels, notamment dans les cas où les flux de fuite dans la troisième dimension sont cruciaux pour la précision du modèle. Des modèles pour des inductances et des transformateurs avec des structures à plusieurs enroulements peuvent être générés à l'aide de la méthode proposée. En outre, la méthode proposée peut représenter les défauts internes des inductances et des transformateurs. Afin de vérifier l'approche proposée, les résultats des modèles obtenus sont comparés aux résultats des modèles MEF 2D et 3D. Une précision comparable est obtenue pour les modèles 2D et 3D. Les méthodes proposées dans cette thèse peuvent être utilisées pour intégrer la modélisation MEF dans des outils de type EMT, notamment la représentation précise de la géométrie, la prise en compte de la saturation du noyau de fer et la prise en compte de tous les chemins de flux magnétique, y compris les chemins de flux de fuite à travers l'air.  ABSTRACT: New circuit-based approaches are proposed in this study for the electromagnetic modelling of magnetic devices, such as inductors and transformers, in electromagnetic transient (EMT)-type software (EMTP, for example). The proposed methods have the advantages of circuit-based methods, and they can also provide a detailed representation of magnetic devices comparable to that of the finite element method (FEM). The proposed approaches enable detailed geometrical modelling, as well as visualisation of magnetic flux distribution and consideration of iron core saturation. The methods proposed in this thesis can be implemented in EMT-type software using standard elements. They can be implemented in EMT-type software to see the effect of power networks on magnetic devices and vice-versa. Given the difficulty of 3D FEM and the fact that 2D FEM is preferred over 3D FEM for most power system applications, due to its simplicity, circuit-based magnetic device models are first presented in 2D. Afterwards, they are improved to take into account three-dimensional effects, particularly in cases where the leakage fluxes in the third dimension are crucial to model's accuracy. Models for inductors and transformers with multi-winding structures can be generated using the proposed method. In addition, the proposed method can represent internal faults in inductors and transformers. In order to verify the proposed approach, the findings of the resulting 2D and 3D circuit-based models are compared to the results of the 2D and 3D FEM models, respectively. High accuracy is achieved for both 2D and 3D models. Finally, it can be stated that the methods proposed in this thesis can be used to integrate features of 2D and 3D FEM modelling into EMT-type software, including accurate geometry modelling, consideration of iron core saturation, and consideration of all magnetic flux paths, including leakage flux paths through air during saturated operation.


identifier: Demenois, M. (2022). The Pipe Conveying Fluid as a Model Experiment to Develop a Digital Twin  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En 2015, les accords de Paris ont été adoptés par 196 pays s'engageant à limiter la hausse des températures. Les énergies renouvelables non pilotables prennent une place de plus en plus grande dans le mix électrique. L'énergie hydroélectrique prend alors un rôle central pour lisser et adapter la production à la demande. Il est donc d'autant plus important de surveiller les groupes turbines-alternateurs, notamment car les cycles de démarrage répétés et les utilisations en sous régime augmentent le risque de ruptures et de dommages notamment par fatigue. Dans ce projet, on se propose de travailler sur le développement d'un jumeau numérique qui, à terme, permettrait d'améliorer la surveillance, la prédiction des maintenances et d'optimiser l'opération des turbines hydrauliques. On souhaite commencer notre travail sur les jumeaux numériques en travaillant sur une expérience de tuyau de pompier. En effet, le tuyau de pompier est une expérience d'interaction fluide-structure qui présente plusieurs similarités avec les phénomènes observés dans une turbine hydraulique. L'amortissement du tuyau est influencé par la masse ajoutée de l'eau dans le tuyau, sa vibration est également excitée par l'écoulement de l'eau et le tuyau subit des phénomènes de flottement comme la turbine. De plus, il s'agit d'un système simple et peu coûteux à reproduire et à observer en laboratoire. C'est toutefois un système riche qui démontre une physique riche et variée avec des fortes non-linéarités mais aussi des phénomènes très différents lorsqu'on modifie légèrement l'expérience. Enfin, c'est un système qui a été étudié en profondeur dans les dernières décennies et on dispose donc de nombreux modèles théoriques utilisables pour construire le jumeau numérique. Durant ce projet, nous avons conçu, fabriqué et assemblé un montage expérimental de tuyau encastré-libre. Le débit parcourant le tuyau peut être réglé avec le contrôleur d'une pompe centrifuge et est mesuré par un débitmètre volumique. Le tuyau est filmé par deux caméras hautes vitesses placées dans des plans orthogonaux. Le tuyau est isolé de l'image en utilisant le contraste sur les images et sa position est ensuite approximée à l'aide d'un polynôme qui permet de stocker les informations. Le montage expérimental permet d'utiliser divers tuyaux de longueurs et diamètres intérieurs différents. Les tuyaux en caoutchouc siliconé sont moulés dans un moule usiné en aluminium et leurs caractéristiques sont déterminées en observant la vibration du mode fondamental du tuyau. Nous avons mené une première campagne d'essais sur sept tuyaux différents avec trois diamètres différents. Nous avons étudié l'amortissement du tuyau avant la vitesse critique et avons pu la comparer au modèle linéaire du tuyau. Nous avons également déterminé et mesuré vi les vitesses critiques auxquelles le tuyau devient instable. Au-dessus de la vitesse critique nous avons observé la relation entre l'amplitude de vibration ainsi que la fréquence de vibration avec le débit d'eau. Enfin nous avons également observé les différents phénomènes et modes vibratoires comme le mode chaotique à haut débit qui remplace les vibration planaires. Dans une seconde partie du projet, nous avons expérimenté avec une nouvelle méthode pour construire le jumeau numérique du tuyau : des réseaux de neurones artificiels combinés au modèle physique. Cette technique utilise des réseaux de neurones pour approximer le mouvement du tuyau. Pour entraîner le jumeau numérique on utilise une fonction objectif à minimiser qui est constituée des données mesurées sur le montage expérimental (ou générées numériquement) mais aussi de l'équation linéaire du tuyau pénalisée à un certain nombre de points. Cette méthode permet d'utiliser les données de capteurs tout en régularisant la solution entre les données, en réduisant la quantité de données nécessaires et en permettant l'extrapolation. Dans ce mémoire on se limite à l'équation linéaire du tuyau et donc au comportement avant le débit critique. On utilise la formulation classique mais aussi une formulation avec décomposition modale pour une meilleure efficacité. On teste également l'implémention de la formulation faible des résidus de l'équation linéaire couplée avec une décomposition en modes propres de poutre."  ABSTRACT: Wind energy and solar energy production increased by 240% and 1200% between 2010 and 2018 in Canada. While these energies release 99% less CO2 per gigawatt-hour than gas plants, they are prone to strong production irregularities. Hydraulic infrastructures smooth energy supply intermittency and serve as production reserves. For this new role, turbines are used in off-design conditions and subjected to more start and stop cycles which cause more risks of failures notably by fatigue while leaving less margin for maintenance. The turbines vibration frequencies, influenced by the water added damping are key to model fatigue evolution and are hard to compute numerically. Sensors measure the frequency, the vibrations, the strain or the pressure during the exploitation of hydraulic turbines. However, classic use of these data does not allow to predict maintenance accurately or to detect and predict some phenomena such as fatigue evolution. Digital twins are being developed for the monitoring, maintenance planning and operation optimization of all kinds of industrial systems such as jet engines, airframes, pumps... We propose to exploit sensors data with machine learning methods combining these data with physical prior knowledge to build a Digital Twin of the hydraulic infrastructures. The proof of concept of Digital Twins is based on the dynamic of a Pipe Conveying Fluid. Building a pipe conveying fluid experiment is cheap and easy. Yet this system exhibits linear, non-linear and chaotic dynamics. We designed and built a cantilevered pipe experimental setup and tested this setup by observing the behaviour of the pipe in different conditions and by measuring interesting characteristics of the pipe dynamics. A flowmeter measures the flow velocity while two orthogonal high speed cameras film the pipe to obtain training and validation data for the digital twin. We investigate Physics Informed Neural Networks (PINNs) to build the digital twin by combining sensor data and physical models. The data from the setup are used during training along with prior knowledge coming from a partial differential equation to optimize the weights and biases of a deep neural network. Data from the experimental setup can modify and adapt the model to fit the actual pipe and thus solve inverse problems. The formulation of the residuals from the physical model is a key element for the PINNs convergence and we investigate different methods such as the strong formulation, modal decomposition or the weak formulation. We demonstrate that PINNs can determine the water added mass damping on a pipe conveying fluid. This experimental setup and the framework we established will also serve as a testbench for testing and validating reduced-order models and other digital twin techniques.


identifier: Bechtold, J. (2022). Développement d'un contrôleur natif STEP-NC de machine-outil à commande numérique interopérable et compact  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les machines-outils à commande numérique (MOCN) sont encore aujourd'hui commandées par le standard ISO 6983, appelé communément Code-G, qui a été inventé dans les années 1950 et qui n'a connu que très peu d'évolution. A contrario, les MOCN ont connu d'importantes innovations, le Code-G ne répond aujourd'hui plus aux exigences de la fabrication moderne et constitue un obstacle au développement de MOCN plus intelligentes et interopérables.  L'ISO 14649, communément appelée STEP-NC, est un langage de commande pour MOCN qui a été conçu pour remplacer les divers langages (dont le Code-G fait partie) qui composent aujourd'hui la chaine numérique d'industrialisation CAO - FAO - CN (Conception assistée par ordinateur, fabrication assistée par ordinateur, commande numérique) par un protocole de communication moderne, interopérable et normalisé. C'est une extension du standard ISO 10303 appelé STEP, qui permet d'intégrer toute la chaine numérique d'industrialisation dans un unique standard. Contrairement au Code-G, qui est un langage de bas niveau, incluant uniquement une faible quantité d'information (le parcours que doit suivre l'outil) spécifique à chaque machine et uniquement utilisable pour transmettre les informations entre le post-processeur et la MOCN, le STEP-NC est un langage de haut niveau qui permet un stockage d'une grande quantité d'information de haut niveau depuis la conception de la pièce jusqu'à sa fabrication, sans perte d'information. Afin d'exploiter le STEP-NC, il faut concevoir de nouveaux contrôleurs de MOCN compatibles avec ce nouveau standard. En effet, le STEP-NC contient les informations de « quoi produire », mais très peu d'information de « comment produire », contrairement au Code-G qui contient uniquement le parcours d'outils spécifique à la machine. Le contrôleur STEP-NC doit alors interpréter ces informations et en déduire le parcours d'outils. Il est alors bien plus complexe et demande une plus grande puissance de calcul. Des prototypes de contrôleur STEP-NC sont en cours de développement depuis une vingtaine d'années et prouvent la viabilité et les avantages du STEP-NC, mais le manque de contrôleur est toujours considéré comme le principal problème qui limite l'utilisation du STEP-NC. Ce projet de recherche se concentre sur le développement d'un contrôleur STEP-NC. L'état de l'art a permis de mettre en avant la complexité, le coût et l'encombrement des prototypes de contrôleur STEP-NC développés jusqu'ici, ce qui est un réel obstacle à l'utilisation et à la popularisation du standard STEP-NC. L'objectif principal de ce projet de recherche est de développer un contrôleur STEP-NC interprété à architecture ouverte, en mettant l'accent sur la réduction du coût, de l'encombrement et en permettant d'avoir un contrôleur facilement reproductible. Pour cela, le contrôleur est basé sur un micro-ordinateur Raspberry Pi, peu cher et compact, qui peut être directement connecté à une MOCN. Le logiciel du contrôleur est codé en C++, peut interpréter un fichier ISO14649, générer un parcours d'outil, simuler le parcours d'outil, et envoyer l'information à la MOCN pour réaliser l'usinage. Une pièce de tournage issue de la norme est usinée sur un tour à commande numérique EMCO PC TURN 55 pour valider le fonctionnement de notre contrôleur. Les tests ont montré que le contrôleur est capable de produire une pièce issue du standard ISO 14649, sans utiliser de Code-G sur un Raspberry Pi, directement installée dans un tour à commande numérique. Pour conclure, ce projet de recherche a permis de montrer qu'il était possible de réaliser un contrôleur STEP-NC interprété, facilement reproductible, peu coûteux et facilement implantable dans une MOCN commerciale existante.  ABSTRACT: Most of modern computer numerical control (CNC) machine tools (CNCMTs) are still controlled by the ISO 6983 standard, commonly known as Code-G, which was invented in the 1950s and has undergone very little evolution. On the other hand, CNC has undergone significant innovations, the G-Code no longer meets the requirements of modern manufacturing and is an obstacle to the development of more intelligent and interoperable CNC.  ISO 14649, commonly known as STEP-NC, is a control language for CNCMT that has been designed to replace the various languages (of which G-Code is a part) that make up today's CAD-CAM-CNC (Computer Aided Design, Computer Aided Manufacturing, Computer Numerical Control) industrialization digital chain with a modern, interoperable, and standardized communication protocol. It is an extension of the ISO 10303 standard called STEP, which allows the integration of the entire digital industrialization chain in a single standard. Unlike G-Code, which is a low-level language, including only a small amount of information (the path that the tool must follow) specific to each machine and only usable to transmit information between the post-processor and the CNCMT, STEP-NC is a high-level language that allows the storage of a large amount of high-level information from the design of the part to its manufacture, without loss of information.   To exploit STEP-NC, it is necessary to design new CNCMT controllers compatible with this new standard. Indeed, STEP-NC contains the "what to make" information, but not the "how to make" information, unlike G-Code which only contains the machine-specific toolpath. The STEP-NC controller must then interpret this information and deduce the tool path. It is therefore more complex and requires more computing power. STEP-NC controller prototypes have been under development for the past two decades and prove the viability and benefits of STEP-NC, but the lack of a controller is still considered the main hindrance that limits the use of STEP-NC. This research project focuses on the development of a STEP-NC controller. The state of the art has highlighted the complexity, cost and cumbersome nature of the STEP-NC controller prototypes developed so far, which is a real obstacle to the use and popularization of the STEP-NC standard. The main objective of this research project is to develop an interpreted STEP-NC controller with an open architecture, focusing on cost reduction and reproducibility of the controller. For this purpose, the controller is based on a low cost and compact Raspberry Pi board that can be directly connected to a MOCN. The controller software is coded in C++, can interpret an ISO14649 file, generate a toolpath, simulate the toolpath, and send the information to the CNCMT to perform the machining. A turning part from the standard is machined on an EMCO PC TURN 55 CNC lathe to validate the operation of our controller. The tests showed that the controller is able to produce a standard part without using G-code on a Raspberry Pi directly installed in a CNC lathe. To conclude, this research project has shown that it was possible to realize an easily reproducible, inexpensive, and easily implemented STEP-NC controller in an existing commercial CNCMT.


identifier: Liu, D. (2022). Machine Learning Algorithms for Combinatorial Optimization  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une variété de tâches de décision dans la science et l'industrie modernes sont des problèmes d'optimisation combinatoire. Pour résoudre ces problèmes difficiles, des recherches étonnantes ont été menées dans le domaine au cours des dernières décennies. Bien que les méthodes et les techniques d'optimisation développées aient conduit à une multitude d'outils d'optimisation et aient été appliquées avec succès pour résoudre régulièrement un grand nombre de problèmes, il existe encore de nombreux cas pratiques où les techniques existantes ne sont pas adéquates et il est toujours impératif de concevoir et de mettre en œuvre de nouveaux algorithmes et stratégies d'optimisation combinatoire. L'apprentissage automatique est un sous-domaine de l'intelligence artificielle. Ces dernières années, l'application des techniques d'apprentissage automatique dans l'optimisation combinatoire est devenue un domaine de recherche émergent. Dans cette thèse, nous visons à renforcer cette direction et nous soutenons que l'apprentissage automatique est un complément prometteur à l'optimisation combinatoire. Plus précisément, nous étudions différents paradigmes pour appliquer l'apprentissage automatique en combinaison avec l'optimisation combinatoire et présentons trois contributions ci-dessous. Tout d'abord, nous considérons un problème d'optimisation combinatoire spécifique et proposons un cadre pour l'apprentissage d'heuristiques constructives produisant des solutions de haute qualité. Les résultats montrent que notre approche d'apprentissage atteint des performances de généralisation remarquables sur des graphes de plus grande taille et d'une distribution différente. Deuxièmement, nous considérons l'application de l'apprentissage automatique pour les décisions au sein d'algorithmes d'optimisation combinatoire et proposons un cadre d'apprentissage pour prédire et pour adapter la taille du voisinage de l'heuristique, le branchement local, pour la programmation en nombres entiers. Nous montrons informatiquement que les décisions algorithmiques critiques au sein de l'heuristique peuvent en effet être apprises par apprentissage automatique. L'algorithme résultant se généralise bien à la fois au niveau de la taille de l'instance et, remarquablement, entre les instances. Enfin, nous présentons une contribution méthodologique pour l'intégration de l'apprentissage automatique dans les métaheuristiques pour la résolution de problèmes généraux d'optimisation combinatoire. Plus précisément, nous proposons un cadre général d'apprentissage automatique pour la génération de voisins dans la recherche de métaheuristiques. La clé de la méthodologie proposée réside dans la définition et la génération de voisinages de solutions prometteuses. Nous proposons un cadre de classification qui exploite les propriétés structurelles du problème et des solutions de haute qualité et qui sélectionne un sous-ensemble de variables pour définir un voisinage de recherche prometteur pour la recherche métaheuristique. Nous démontrons l'efficacité de notre cadre sur deux schémas métaheuristiques, et les résultats expérimentaux indiquent que notre approche permet d'apprendre un compromis satisfaisant entre l'exploration d'un espace de solutions plus large et l'exploitation de régions locales prometteuses.  ABSTRACT: A variety of decision tasks in modern science and industry are Combinatorial Optimization (CO) problems. To solve challenging CO problems, there has been stunning researches in the f ield over the past decades. Although the optimization methods and techniques developed have led to a vast library of optimization tools and have been successfully applied to routinely solve a large number of CO problems, there are still many practical cases where existing optimization techniques are not adequate and it is always compelling to design and implement new CO algorithms and strategies. In recent years, the application of Machine Learning (ML) techniques in CO became an emerging research area. In this thesis, we aim to reinforce this direction and we argue that ML is a promising complement to CO. Specifically, we study different paradigms for applying ML in combination with CO and present three contributions. First, we consider a specific CO problem, the chordal extension of a graph, and propose a framework for learning heuristic strategies that yield high-quality solutions. In particular, we propose an imitation learning scheme for learning constructive heuristics. The experimental results demonstrate that our approach achieves remarkable generalization performance on graphs of larger size and from a different distribution. Second, we consider the application of ML for making decisions within CO algorithms and propose a learning framework for adapting the crucial parameters of the Local Branching (LB) heuristic for Mixed-Integer Linear Programming (MILP). The resulting ML strategies are integrated into the LB algorithm and interact with the MILP solver. We computationally show that the critical algorithmic decisions within a CO algorithm can indeed be learned by ML, and the resulting algorithms generalize well both with respect to the instance size and, remarkably, across instances. Finally, we present a methodological contribution for integrating ML into metaheuristics (MHs) for solving general CO problems. Specifically, we propose a general ML framework for neighbor generation in MH search. The key of the proposed methodology lies in the definition and generation of promising solution neighborhoods. We propose a framework that exploits structural properties from the problem and from its high-quality solutions, and apply the learned knowledge to define promising neighborhoods for MH search. We validate the effectiveness of our framework on two MH schemes: Tabu Search and Large Neighborhood Search. The experiments show that our approach is able to learn a good trade-off between the exploration of a larger solution space and the exploitation of promising local regions.


identifier: Boroumand, M. (2022). Assessment and Modification of Novel Counter-Rotating Centrifugal Compressor Concept for Transonic Speeds  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette étude présente la première évaluation aérodynamique réaliste et modification à un nouveau concept de compresseur centrifuge contra-rotatif pour application dans les moteurs d'avion. Ce concept consiste à remplacer le diffuseur dans un compresseur centrifuge aéronautique par un court diffuseur sans aubes et un rotor axial tournant à contre-sens pour doubler l'augmentation de pression totale déjà élevée de l'impulseur. Cet étage de compresseur compact avec un rapport de pression par étage sans précédent permettrait de réduire la consommation de carburant des moteurs d'avion et/ou leur taille, poids et complexité mécanique. Cependant, ce concept n'a été évalué qu'à des vitesses très inférieures à celles dans les moteurs d'avion. Cette recherche a pour objectif d'identifier les problèmes aérodynamiques qui empêcheraient ce concept d'atteindre son plein potentiel en terme de performance et d'évaluer des stratégies de conception pour les résoudre. Une approche numérique utilisant des simulations numériques de l'écoulement (CFD) de type RANS a été choisie pour permettre une évaluation rapide des changements de design et une analyse détaillée du champ d'écoulement. La méthodologie commence avec la conception d'un compresseur centrifuge conventionnel (CC) de moteurs d'avion pour définir les cibles de design pour le compresseur centrifuge contra-rotatif (CRC) qui doit en doubler l'augmentation de pression totale tout en maintenant (ou améliorant) le rendement polytropique et la stabilité aérodynamique. Le compresseur CRC doit avoir le même impulseur et débit de design et posséder un rotor axial contra-rotatif tournant à la même vitesse que l'impulseur (rapport de vitesses à 100%) avec un écoulement sortant axial. Un premier compresseur CRC est conçu et évalué afin d'identifier les causes de déficit de performance. Des stratégies de conception aérodynamique différentes sont alors évaluées pour produire un design révisé du compresseur CRC. Ce compresseur est alors analysé au point de design et hors-design pour en déterminer la performance et la stabilité aérodynamique (marge contre le décrochage) et les causes de tout déficit restant de performance et de déclenchement du décrochage tournant. De nouvelles stratégies sont alors proposées pour atteindre les cibles. Les résultats indiquent que le concept de compresseur CRC aux vitesses transsoniques peut probablement atteindre les cibles d'augmentation de pression totale et de rendement si deux contraintes initiales de design peuvent être levées, soient le rapport de vitesses à 100% et l'écoulement de sortie axial afin de réduire les pertes aérodynamiques excessives dans le rotor axial contra-rotatif. En premier lieu, l'écoulement relatif d'entrée hautement supersonique au rotor axial entraîne des pertes de chocs et des pertes visqueuses dues au décollement de couche limite induit par les chocs. Les remèdes de première ligne les plus efficaces sont la combinaison de réduction de vitesse du rotor axial et le remplacement du diffuseur sans aubes par un diffuseur avec aubes pour diminuer le nombre de Mach relatif de l'écoulement d'entrée en régime bas supersonique, et l'utilisation d'un profil d'aube supersonique optimisé pour réduire la force des chocs via une diffusion de l'écoulement par multiples chocs. Cependant, l'impact hautement négatif des deux premières stratégies sur l'augmentation de pression totale à travers le rotor axial doit être compensé par un écoulement de sortie non-axial pour que ce rotor puisse égaler l'augmentation de pression totale de l'impulseur. Une fois les pertes de chocs et visqueuses réglées, le jeu d'aube du rotor axial doit être diminué à bien en deçà de 1% de la hauteur des aubes pour pouvoir combler le déficit de rendement polytropique. Des améliorations additionnelles incluent l'optimisation des aubes du diffuseur à aubes et du rotor axial afin d'éliminer tout décollement de couche limite, ainsi que le remplacement de l'impulseur par un rotor à écoulement mixte de conception agressive. Finalement, les résultats hors-design indiquent que les compresseur CRC devraient avoir une meilleure stabilité aérodynamique que les compresseurs CC équivalents, même avec un jeu d'aube relativement grand pour le rotor axial. De plus, le rotor axial contra-rotatif est la source probable de l'initiation du décrochage via une déstabilisation de l'écoulement de jeu.  ABSTRACT: This study presents the first realistic aerodynamic assessment and modification of a novel counter-rotating centrifugal compressor concept for application in aircraft engines. This concept consists of replacing the diffuser in an aero-engine centrifugal compressor with a short vaneless diffuser and a counter-rotating axial rotor to double the already high total pressure rise of the impeller. The resulting compact compressor stage with unprecedented stage pressure ratio can reduce the fuel consumption of aero-engines and/or their length, weight and mechanical complexity. However, this concept had only been evaluated at speeds that are far below that required for real gas turbine engine applications. This research aims to identify the aerodynamic issues that can prevent the concept from achieving its full performance potential at (realistic) transonic speeds and assess design strategies to address them. A computational approach using CFD simulations is chosen for rapid assessment of design changes and detailed analysis of the flow field. The methodology starts with the design of a representative conventional aero-engine centrifugal (CC) compressor to set the design targets for the counter-rotating (CRC) compressor, which has to double the total pressure rise while having similar (or better) polytropic efficiency and stall margin. The CRC compressor should feature the same impeller and design mass flow with a counter-rotating axial rotor rotating at the same speed as the impeller (100% speed ratio) and producing axial exit flow. A first CRC compressor is designed and assessed to identify the cause of performance shortfalls. Different aerodynamic design strategies are then evaluated to produce a revised design that is analyzed both at design and off-design for performance and aerodynamic stability (stall margin) and for elucidation of the causes of remaining performance shortfalls and of rotating stall inception. New strategies are then proposed to close any performance gaps. The results indicate that the CRC compressor concept at transonic speeds can likely achieve the total pressure rise and efficiency targets if two original design constraints can be lifted, namely 100% speed ratio and axial outflow, to address excessive aerodynamic losses in the counter-rotating axial rotor. First, the highly supersonic inlet relative flow to the axial rotor leads to shock losses and viscous losses from shock-induced boundary layer separation. The most effective first-line remedies are a combination of axial rotor speed reduction and replacement of the vaneless diffuser by a vaned diffuser to reduce the inlet relative Mach number to low supersonic values, and an optimized supersonic blade profile to reduce shock strength by flow diffusion through multiple passage shocks. However, the highly negative impact of the first two strategies on total pressure rise across the axial rotor must be compensated by non-axial exit flow for it to match the total pressure rise of the impeller. Once shock and viscous losses are addressed, tip clearance must be reduced to well below 1% of blade span to close the remaining gap in polytropic efficiency. Further improvement strategies include optimizing the blade shape for the vaned diffuser and axial rotor to remove all flow separation, as well as replacing the impeller by an aggressive mixed flow rotor. Finally, off-design results indicate that high-speed CRC compressors should have better stall margin than equivalent CC compressors even with relatively large axial rotor tip clearance. Moreover, the counter-rotating axial rotor is likely the source of stall inception through tip clearance flow breakdown.


identifier: Blanc, C. (2022). Développement d'un outil de segmentation de la moelle épinière adapté à une population pédiatrique  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Contexte : La moelle épinière joue un rôle essentiel dans la motricité et la sensibilité du corps humain. Les fonctions de cet organe peuvent cependant être plus ou moins perturbées suite à des lésions provenant de di˙érentes sources. Une section suite à un accident, une compression suite à un cancer, une démyélination à cause d'une sclérose en plaques,... Une variété de lésions possibles provenant de di˙érentes sources. Afin d'assurer un suivi adéquate de ces di˙érentes pathologies l'extraction de métriques, comme la mesure du rayon de la moelle ou de l'aire de section, peut être essentiel. Il est alors nécessaire de faire une segmentation de la moelle épinière de la manière la plus précise et robuste possible. Or, ce procédé peut être long et soumis à des biais venant des observateurs. Le développement d'outils de segmentation automatique de la moelle épinière s'avère alors judicieux. Des méthodes de segmentation automatiques ont émergées ces dix dernières années. Cepen-dant, à notre connaissance aucune n'a été spécifiquement développée pour la population pédiatrique. La moelle épinière des enfants est plus petite que celle des adultes et les organes environnants également. Il peut alors être diÿcile d'appliquer des méthodes développées spé-cifiquement pour des adultes sur des images d'imagerie par résonance magnétique (IRM) d'enfants. De plus, dans le cas de patients atteints de lésions, un grand nombre de méthodes ont été spécifiquement développées pour une seule pathologie et sont diÿcilement générali-sables à un plus grand ensemble. Objectif : Développer un outil de segmentation automatique de la moelle épinière adapté à une population pédiatrique et aux patients atteints de lésion. Méthode : Le projet se compose de deux étapes principales. La première est une segmen-tation de la moelle épinière par petites sections en appliquant PropSeg avec di˙érents para-mètres d'initialisation. Ces segmentations sont ensuite fusionnées et utilisées dans un réseau de neurones convolutif (CNN). Cette méthode est évaluée sur trois di˙érents jeux de don-nées contenant tous des images IRM pondérées en T2 : la moelle épinière entière de patients pédiatriques en santé (10), la moelle épinière entière de patients pédiatriques atteints de lé-sions (4), et la moelle épinière au niveau cervical d'adultes dont les images sont de mauvaise qualité ou contiennent des artefacts (10). Les résultats sont comparés à PropSeg appliqué sur la moelle entière et au même CNN sans l'incorporation des segmentations locales. Résultats : Notre approche a fourni de meilleurs résultats que le CNN seul sur les différents jeux de données avec un Dice moyen de 0.88 versus 0.79. Les résultats ont également été meilleurs que PropSeg sur les jeux de données contenant les patients atteints de lésions ou d'images de mauvaise qualité. Cependant PropSeg a montré de meilleures performances sur la population pédiatrique en santé avec un Dice moyen de 0.90 versus 0.88. Conclusion : Durant ce projet nous avons développé une méthode capable de segmenter automatiquement la moelle épinière d'enfants et personnes atteintes de lésions. Nous avons également découvert que pour une population pédiatrique en santé l'utilisation de PropSeg est suÿsante. Notre étude ayant été e˙ectuée sur des enfants d'au moins 6 ans il serait judicieux par la suite de s'intéresser à une population encore plus jeune.  ABSTRACT: Context : The spinal cord is key in the motor skills and sensitivity of the human body. However, the functions of this organ can be more or less disrupted after injuries from di˙erent sources occurs. Total cord lesion resulting from an accident, a compression resulting from a cancer, a demyelination due to a multiple sclerosis,... A variety of lesions from di˙erent sources. In order to ensure an adequate follow-up of these di˙erent pathologies, the extraction of metrics such as the measurement of the radius of the spinal cord or the cross-sectional area, can be essential. It is then necessary to perform a segmentation of the spinal cord in the most accurate and robust way possible. However, this process can be time consuming and subject to observer bias. The development of tools for automatic segmentation of the spinal cord is therefore judicious. Automatic segmentation methods have emerged in the last decade. However, to our knowl-edge, none has been specifically developed for the pediatric population. The spinal cord of children is smaller than that of adults and so are the surrounding organs. It may therefore be diÿcult to apply methods developed specifically for adults to magnetic resonance imaging (MRI) data of children. Many of the methods developed for lesions have been specifically developed for a single pathology and are diÿcult to generalize to a larger cohort. Goal : To develop an automatic spinal cord segmentation tool adapted to the pediatric populations and patients with injury. Method : The project consists of two main steps. The first one is a segmentation of the spinal cord by small patches by applying PropSeg with di˙erent initialization parameters. These segmentations are then merged and used in a convolutional neural network (CNN). This method is evaluated on three di˙erent datasets : whole spinal cord of healthy pediatric patients (10), whole spinal cord of pediatric patients with lesions (4), and adults MRI with low quality or artefacts (10). The results are then compared to PropSeg applied on the whole spinal cord and the same CNN without the incorporation of local segmentations. Results : Our approach provided better results than the CNN alone on the di˙erent datasets with an average Dice of 0.88 versus 0.79. The results were also better than PropSeg on the two datasets containing the patients with injury or low quality images. However PropSeg showed better performance on the healthy pediatric population with an average Dice of 0.90 versus 0.88.Conclusion : During this project we developed a method able to automatically segmenting the spinal cord of children and patients with injuries. We also discovered that for a healthy pediatric population the use of PropSeg is suÿcient. As our study was performed on children of at least 6 years old, it would be judicious later to look at an even younger population.


identifier: D'Astous, A. (2022). Shimming Toolbox: An Open-Source Software Package for Shimming the B0 and B1 Field in Magnetic Resonance Imaging  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En augmentant le champ magnétique principal (ou champs B0) en imagerie par résonance magnétique, les images peuvent bénéficier d'une meilleure résolution et d'une meilleure intensité de signal. Cependant, augmenter le champ B0 comporte plusieurs obstacles, l'un d'entre eux est l'augmentation des inhomogénéités de ce champ. Ces inhomogénéités sont la source de plusieurs effets indésirables comme la perte de signal, la distorsion géométrique, et la superposition de signal dans les images résultantes. Pour mitiger ces artéfacts, un processus appelé B0 « shimming » est effectué pour homogénéiser le champ. Typiquement, cela consiste à acquérir une carte du champ B0 et d'utiliser des antennes qui produisent des champs opposés aux inhomogénéités. Plusieurs techniques ont été proposées pour « shim » le champ B0 comme le « shim » statique (où les coefficients sont optimisés pour un seul volume), le « shim » dynamique (où les coefficients sont optimisés pour chaque tranche d'une image) et le « shim » en temps-réel (où les coefficients sont calculés en temps réel pour corriger les inhomogénéités statiques et ceux qui varient dans le temps). Ces techniques peuvent utiliser plusieurs sortes d'antennes comme celles intégrées dans l'IRM ou des antennes sur mesure.  Un autre obstacle rencontré lorsque le champ B0 augmente est la diminution de la longueur d'onde de l'onde RF. À 7 Tesla, la longueur d'onde est de l'ordre de grandeur de la tête d'un humain adulte. Cette courte longueur d'onde entraine des inhomogénéités dans le profil d'excitation, appelé inhomogénéités B1+. Ces inhomogénéités créent des effets indésirables tel que la perte locale de signal et des intensités de signaux locaux variables. Pour limiter ces inhomogénéités, des techniques comme le « shimming » statique B1+ (les courants RF sont calculés pour obtenir un profil d'excitation homogène) ont été développées.  Toutes ces méthodes sont répandues à travers plusieurs groupes de recherches. Elles sont difficiles à reproduire et à implémenter. Elles ont aussi besoin de programmes dédiés et de connaissances importantes pour leur implémentation. Dans ce contexte, le but de ce projet de recherche est de développer un logiciel complet libre d'accès (Shimming Toolbox) pour prototyper des techniques de « shimming », tester des antennes, reproduire des techniques de « shimming » existantes, et développer de nouvelles avenues de recherches reliées au « shimming » du champ B0. Le « shimming » B1 a aussi été implémenté dans Shimming Toolbox dans le cadre du projet de maîtrise de Gaspard Cereza. Shimming Toolbox inclut des outils de conversion d'image, de cartographie de champ B0, de création manuelle et automatique de masque, de caractérisation de champ d'antenne et inclut les techniques de « shimming » B0 globale, dynamique et de temps réel ainsi que de « shimming » B1+ statique. Le logiciel est disponible pour téléchargement sur la plateforme Github avec des instructions d'installations, des tutoriels, et de la documentation disponible sur le site internet de Shimming Toolbox (https://shimming-toolbox.org).  Le logiciel a été testé in-vivo à l'aide de deux expériences qui ont testé l'habileté de faire du « shimming » B0 dynamique et en temps réel en utilisant des antennes intégrées et des antennes sur mesure. Ces expériences ont été effectuées à différent champ (3 T et 7 T) sur différentes parties de l'anatomie (cerveau et moelle épinière). Le « shimming » dynamique a démontré une réduction des inhomogénéités du champs B0 dans le cerveau de 47% et le « shimming » en temps réel a démontré une réduction des inhomogénéités du champs dans la moelle de 30%.  Des recherches futures peuvent se concentrer sur le développement de Shimming Toolbox pour pouvoir être plus versatile dans ses choix d'optimiseur, de techniques de cartographie, d'« unwrapper » et de techniques de « shimming ». Le logiciel pourrait aussi être optimisé pour être plus rapide afin d'utiliser moins de temps lors des expériences. Même si Shimming Toolbox a réduit les inhomogénéités du champ B0, plus de tests sont nécessaires afin de bien évaluer la performance des différentes techniques implémentées. J'espère que Shimming Toobox sera une plateforme sur laquelle la communauté IRM va collaborer, utiliser des techniques de « shimming » à l'état de l'art, et rendra la recherche en « shimming » plus transparente et reproductible.  ABSTRACT: By increasing the main magnetic field (or B0 field) in magnetic resonance imaging, images can benefit from better resolution and signal strength. However, increasing the B0 field comes with challenges, one of which is the increased inhomogeneity of that field. Inhomogeneities of the B0 field are the source of multiple undesirable effects such as signal loss, geometric distortions and signal overlap in the resulting images. To mitigate these artifacts, a process called B0 shimming is performed that aims at homogenizing the B0 field. It typically consists of acquiring a map of the B0 field and the use of coils that produce fields which will counteract the inhomogeneities. Multiple techniques have been proposed to shim the B0 field such as static shimming (coefficients are optimized for a single volume), dynamic shimming (coefficients are optimized for each slice) and real-time shimming (coefficients are calculated in real-time to correct both static and time-varying inhomogeneities). These techniques can use the included scanner shim coils or external custom shim coils.  Another challenge encountered when the B0 magnetic field is increased is that the RF wavelength decreases. At 7 Tesla, the wavelength is on the order of the adult human head which results in an inhomogeneous excitation profile, also called B1+ inhomogeneities. These inhomogeneities create undesirable effects such as local loss of signal and intensity variations. To address these issues, techniques such as static B1+ shimming (RF currents are calculated to obtain a homogeneous excitation profiles) have been developed.  All these shimming methods are scattered between research groups, are hard to reproduce, are hard to implement, require dedicated software, and require knowledge to implement. In this context, the goal of this research project is to develop an open-source, end-to-end software package (Shimming Toolbox) for prototyping shimming techniques, testing coils, reproducing shimming experiments and develop new research avenues related to B0 shimming. B1 shimming was also implemented in Shimming Toolbox as part of Gaspard Cereza's Master thesis.  Shimming Toolbox includes tools for image conversion, B0 field mapping, manual and automatic masking, coil characterisation and performing static, dynamic and real-time B0 shimming as well as static B1+ shimming. The toolbox is available for download on Github with installation instructions, tutorials and documentation available on the Shimming Toolbox's website (https://shimming-toolbox.org). The software package was tested in-vivo in two different experiments that tested its ability to perform dynamic and real-time B0 shimming using scanner and custom shim. These experiments were performed at different field strength (3 T and 7 T) and on different part of the anatomy (brain and spinal cord). Dynamic shimming showed a reduction of 47% of B0 field inhomogeneities in the brain and real-time dynamic showed a reduction of 30% of B0 field inhomogeneity in the spinal cord.  Future research could focus on developing Shimming Toolbox to be more versatile in its choice of optimizer, field mapping technique, unwrapper and shimming technique. The toolbox could be optimized for speed to save valuable time at the scanner. Although Shimming Toolbox reduced B0 inhomogeneities, further testing of the tools is required to appropriately evaluate their performance. It is my hope that Shimming Toolbox will provide a platform on which the MRI community can collaborate, use state-of-the-art shimming techniques and make shimming research more transparent and reproducible.


identifier: Laajimi, H. (2022). Experimental and Numerical Investigation of an Ultrasound-Assisted Biodiesel Transesterification with Polyalcohols  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'épuisement des ressources fossiles et l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre liées à leur exploitation ont incité les gouvernements du monde entier à envisager l'exploitation de la biomasse et des ressources renouvelables pour la production d'énergie et de produits chimiques. Les industries de la machinerie et de l'automobile ont adopté les lubrifiants biosourcés pour remplacer les lubrifiants conventionnels d'origine fossile, puisqu'ils ont démontré de meilleures propriétés lubrifiantes (meilleure adhérence aux métaux et indices de viscosité et points d'éclair plus élevés) et surtout une plus faible empreinte carbone. Les biolubrifiants peuvent être préparés par modification chimique des huiles végétales ou du biodiesel. Cependant, ces modifications nécessitent des conditions de réaction drastiques. Ce projet de recherche propose une méthode pour intensifier la production de biolubrifiants à partir de biodiesel en utilisant les ultrasons. Les ultrasons sont une technologie propre émergente qui exploite l'énergie intense générée par la cavitation acoustique pour réaliser le processus plus rapidement et dans des conditions douces.  ABSTRACT: The depletion of fossil resources and the greenhouse gas emissions associated with their exploitation have prompted governments around the world to focus on harnessing biomass and renewable resources to produce energy and chemicals. The machinery and automotive industries adopted bio-based lubricants to replace conventional fossil-based lubricants, as they have demonstrated better lubricating properties (stronger adhesion to metals and higher viscosity indices and flash points) and a smaller carbon footprint. Biolubricants are prepared by chemical modification of vegetable oils or biodiesel. However, these modifications require drastic reaction conditions. This research project proposes a method to intensify the production of biolubricants from biodiesel using ultrasound. Ultrasound is an emerging clean technology that exploits the intense energy generated by the acoustic cavitation to achieve the process faster and under mild conditions.


identifier: Tsobdjou Dongmo, L. (2022). Modèles de prévention et de détection des cyberattaques dans un environnement périphérique mobile/serveur  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, nous observons une prolifération des périphériques mobiles, tels que les téléphones intelligents, les tablettes, les montres connectées et les capteurs corporels. D'une part, certains de ces périphériques mobiles sont caractérisés par des ressources limitées, dont la capacité de calcul, la mémoire et la durée de vie de la batterie. Pour réduire la consommation des ressources des périphériques mobiles, le paradigme « Mobile Cloud Computing » (MCC) a vu le jour. Il consiste à transférer l'exécution des opérations gourmandes en ressources vers le nuage doté de ressources quasi illimitées. D'autre part, la plupart des services destinés aux périphériques mobiles, à l'instar de la banque mobile, le paiement mobile et la télémédecine, requiert une communication sécurisée entre les périphériques mobiles et les serveurs distants, dans un modèle client mobile/serveur. La communication entre les périphériques mobiles et les serveurs distants à travers des canaux de communication non sécurisés, soulève le problème de sécurité des données, en termes de confidentialité, d'intégrité et de disponibilité. Par conséquent, des mécanismes de sécurité sont nécessaires pour protéger les données des utilisateurs, tout en considérant les contraintes de ressources liées à l'usage de périphériques mobiles. Au regard de tout ce qui précède, l'objectif principal de cette thèse est de concevoir des modèles robustes pour améliorer la sécurité des communications dans un environnement client mobile/serveur. La revue de littérature effectuée nous a permis d'identifier les menaces de sécurité dans un environnement client mobile/serveur. Ces menaces de sécurité sont réparties en trois catégories, en fonction de leurs zones d'action, à savoir le périphérique mobile, l'infrastructure réseau et le serveur. Dans le même ordre d'idées, et en vue d'atteindre l'objectif principal de cette thèse, nous avons divisé le travail en trois volets.  Le premier volet traite une menace de sécurité qui opère au niveau de l'infrastructure réseau, plus précisément l'attaque de l'homme du milieu. Dans cette attaque, un cybercriminel peut, soit usurper l'identité du périphérique mobile ou du serveur, soit intercepter et/ou modifier les messages échangés entre le périphérique mobile et le serveur. La solution proposée à cette menace est un protocole d'authentification mutuelle et d'échange de clé entre un périphérique mobile et un serveur.  ABSTRACT: Nowadays, we are witnessing a rapid increase in numbers of mobile devices, such as smartphones, tablets, smartwatches and body sensors. On one hand, some of these mobile devices are characterized by limited resources, including computing capacity, memory and battery life. To reduce the consumption of mobile device resources, the Mobile Cloud Computing (MCC) paradigm has emerged. It consists of transferring the execution of resource-intensive operations to the cloud endowed with almost unlimited resources. On the other hand, most services for mobile devices, such as mobile banking, mobile payment and telemedicine, require secure communication between mobile devices and remote servers, in a mobile client/server model.  The communication between mobile devices and remote servers through unsecured communication channels raises the issue of data security, in terms of confidentiality, integrity and availability. Therefore, security mechanisms are needed to protect users' data, while considering the resource constraints associated with the use of mobile devices.  To this end, the main objective of this thesis is to design robust models to improve communication security in a mobile client/server environment. The performed literature review allowed us to identify security threats in a mobile client/server environment. These security threats are divided into three categories, depending on their areas of operation, namely the mobile device, the network infrastructure and the server. In the same vein, to achieve the main objective of this thesis, we have divided the work into three parts. The first part deals with a security threat that operates at the network infrastructure level, specifically the man-in-the-middle attack. In this attack, a cybercriminal can either impersonate the mobile device or server, or intercept and/or modify the messages exchanged between the mobile device and the server. The proposed solution to this threat is a mutual authentication and key exchange protocol between a mobile device and a server. This protocol relies on elliptic curve cryptography to be both secure and lightweight. In addition, the adoption of the Subscriber Identity Module (SIM) card makes it possible to store secret data and execute cryptographic operations in a secure manner.


identifier: Niasse, E. H. A. (2022). Une approche progressive pour l'évaluation de la stabilité sismique 3D des piliers d'évacuateurs de crues  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans un contexte où les normes sismiques sont devenues plus exigeantes, de nombreuses structures hydrauliques vieillissantes font l'objet d'études de réévaluation de la stabilité sismique. En l'absence de méthodologie précise, les ingénieurs en sécurité de barrages sont confrontés à des choix d'approche pour une évaluation rapide de la stabilité sismique des évacuateurs de crues sans avoir recours à des modèles d'éléments finis complexes et coûteux en temps de calcul. La plupart des méthodes simplifiées existantes considère une excitation sismique dans la direction amont-aval. Or, les piliers d'évacuateurs de crues peuvent être particulièrement sensibles aux excitations sismiques dans la direction des rives correspondant à l'axe faible de flexion. Ce mémoire présente une approche progressive de calcul basée sur un modèle d'éléments poutres-colonnes (modèle bâton) SAP2000 de pilier considérant une excitation sismique tridimensionnelle. L'objectif est d'évaluer la stabilité des piliers à des sections critiques en utilisant les efforts obtenus avec le modèle simplifié de bâtons. En premier, l'utilisation des logiciels d'analyse sectionnelle Sectionproperties et Cross Section a été validée en comparant les résultats (propriétés mécaniques sectionnelles, distribution des contraintes, localisation de l'axe neutre, fissuration) à des réponses de référence pour différentes géométries de sections armées et non armées.  ABSTRACT: During the last decades, seismic standards for hydraulic structures have become more demanding. Many aging hydraulic structures are subject to seismic stability reassessment studies to ensure their safety. In the absence of a precise methodology, dam safety engineers must make choices of approach for a rapid assessment of the seismic stability of spillways without resorting to complex and time-consuming finite element models. Most of the existing simplified methods consider only a seismic excitation in the upstream-downstream direction. However, spillway pillars can be particularly affected by seismic excitations in the direction of the banks which corresponds to the weak axis of bending because of a lower moment of inertia. This report presents a progressive calculation approach using a simplified model of beam-column elements (stick model SAP2000) considering a three-dimensional seismic excitation. The objective is to evaluate the stability of pillars at critical sections using the forces obtained with the simplified stick model. First, the use of sectional analysis software Sectionproperties and Cross Section was validated by comparing the results (sectional mechanical properties, stress distribution, location of the neutral axis, cracking) to reference responses for different geometries of unreinforced and reinforced sections.