identifier: Hamon, T. (2015). Méthode de génération d'alternatives de processus d'affaires au sein d'une pme du secteur aéronautique au Québec  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les PME du secteur de l'industrie aérospatiale sont soumises à des pressions importantes des grands donneurs d'oeuvre qui souhaitent obtenir des gains continus de productivité. Ces pressions se matérialisent par des demandes de collaborations plus étroites, d'échange d'information plus soutenu, de prise en charge d'un plus grand éventail d'activités de production et par des réductions des temps de cycle (CEFRIO, 2014). Pour répondre à ces pressions, les PME de ce secteur ont pour la plupart entrepris des programmes de transformation de leurs processus d'affaires. L'objectif commun de ces projets est de gagner en performances opérationnelles. Il existe deux grands types de transformation : les projets d'amélioration continue, connus sous le nom de BPI (Busines Process Improvement) qui s'intéressent à des changements incrémentaux dans les processus, et les projets de réingénierie, appelés aussi BPR (Business Process Reengineering), qui favorisent plutôt des changements radicaux, avec une refonte complète des processus. Dans les deux cas, il existe de nombreuses méthodologies dans la littérature qui permettent de mener à bien ces projets de transformations. Cependant, elles ne sont pas adaptées aux PME, car elles demandent des ressources importantes. C'est d'autant plus vrai pour les méthodologies de BPR qui sont réputées pour nécessiter plus d'organisation, de temps et de ressources financières (Kettinger et al., 1997). De plus, ces méthodologies sont non explicites (Lemieux et al. 2013; Zellner, 2011) et la détermination d'alternatives de processus d'affaires, qui correspond au passage du processus actuel au processus futur, est peu détaillée dans ces méthodologies. Ainsi, pour transformer un processus, il faut générer de nouvelles idées de processus. Pour cela, il faut agir sur les activités ou la structure d'activités, les rôles associés ou encore sur les intrants ou extrants. Il est aussi possible de développer d'autres techniques et outils pour supporter ces activités. Ces outils peuvent être des systèmes d'informations qu'il est possible de changer ou d'implanter pour supporter des activités d'un processus. Cependant, il est nécessaire d'avoir des connaissances sur les alternatives de façons de faire. Dans certaines organisations, des personnes manquent de ces connaissances, c'est souvent le cas dans les PME. Elles demandent alors de l'aide à des consultants ou des vendeurs de progiciels. Ces personnes ne sont plus maîtres de leurs transformations de processus. Les nouveaux processus dépendent alors essentiellement de la sélection du système d'information. Mais même si ces systèmes d'informations peuvent être nombreux, les dirigeants des PME n'en connaissent généralement que quelques-uns et dans le cas d'un consultant, il privilégiera une solution avec laquelle il a déjà travaillé. Finalement, la sélection est effectuée sur un petit nombre de progiciels, l'étude est restreinte et la qualité du processus final n'est pas optimale. Comme réponse à ces limites et aux possibilités de recherches qu'elles apportent, ce mémoire propose une méthode de génération d'alternatives de processus d'affaires adaptées au contexte des PME, qui s'insère dans un projet de BPR et qui encadre le processus de sélection d'un système d'information. Cette méthode est découpée en deux grandes phases, la première étant un diagnostic du fonctionnement actuel et la seconde une définition du processus futur. La méthode proposée est appliquée dans une PME du secteur aérospatial. Des observations par le chercheur ont eu lieu sur le terrain afin d'établir un diagnostic et de sélectionner un processus à reconcevoir. Ce processus a tout d'abord été modélisé. Ensuite, les besoins actuels et futurs de la compagnie ont été définis et confirmés. Par la suite, une identification des solutions techniques qui peuvent répondre aux besoins a eu lieu. Enfin, les processus futurs ont été construits avec ces solutions et ils seront évalués prochainement. Finalement, même si l'application de la méthode n'est pas terminée dans la compagnie, le modèle semble accessible aux PME grâce aux faibles ressources requises. Elle permet notamment de faire apparaître clairement une structure d'activités liée avec les intrants, extrants et les rôles à mettre en place avec chacune des solutions étudiées.  ABSTRACT: SMEs in the aerospace industry are facing important pressure from major OEMs. These firms seek continuous productivity gains which are translated to their suppliers by increasing information exchange, wider range of activities, and reduce cycle time (CEFRIO, 2014). To meet those expectations, SMEs from this sector have launched numerous business process transformation programs. As such, we note two major types of transformation: BPI projects focus on incremental changes in processes whereas BPR methods aims at changing the whole process. Methods supporting these projects, either they are BPR or BPI, are numerous but are not adapted to SMEs as important resources are needed from the organization. This is more critical in the case of BPR methods which are known to ask for more time and financial resources than BPI initiatives (Kettinger et al., 1997). In addition, the determination of future business processes within BRP methodology is not supported by any formal tools or techniques. Thus, to transform a process it's necessary to generate new process ideas. To do so, there is a need to act on activities or activities structure, associated roles or on inputs or outputs. It is also possible to develop others technics and tools to support these activities. These tools can take the form of information systems which are likely to be changed or implanted so as to support activities of a process. However, knowledge about alternatives ways of proceeding is needed. A lack of knowledge is observed in some organizations, and it is often the case in SMEs. They ask consultants or software package sellers for help. They no longer control their processes transformations anymore. The new processes essentially rests upon the selection of the information system. But even if there are numerous information systems, SMEs leaders only know a few and consultants will give priority to a solution they are familiar with. Finally, the selection is based on a small number of software packages, the study is restricted and the quality of the final process is not optimum. As an answer to these limits and to the research possibilities they bring up, this dissertation proposes a methodology for generating alternative business processes adapted to SMEs, which is part of a BPR project and that constraints the information system selection process. This methodology is split in two phases; the first one is the diagnostic of the current business process and the second is the to-be process definition. This proposed methodology is applied in a SME of the aeronautic industry. Observations from the main researcher gathered in situ making possible diagnosis and the selection of a process to redesign. This process was modeled and the current and future needs of the company was performed and confirmed. Next, an identification of the technical solutions that could satisfy the need was performed. At last, future processes were built according to these solutions and will be evaluated soon. Finally, even if the application of the methodology is not completed in the company, the model seems to complete the limits of the literature and is accessible to SMEs thanks to the few needed resources and to a visual methodology that brings up a structure of activities linked with the inputs, outputs and roles.


identifier: Taherkhani, N. (2015). Congestion Control in Vehicular Ad Hoc Networks  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux Véhiculaires ad hoc (VANets) sont conçus pour permettre des communications sans fil fiables entre les nœuds mobiles à haute vitesse. Afin d'améliorer la performance des applications dans ce type de réseaux et garantir un environnement sûr et confortable pour ses utilisateurs, la Qualité de Service (QoS) doit être supportée dans ces réseaux. Le délai ainsi que les pertes de paquets sont deux principaux indicateurs de QoS qui augmentent de manière significative en raison de la congestion dans les réseaux. En effet, la congestion du réseau entraîne une saturation des canaux ainsi qu'une augmentation des collisions de paquets dans les canaux. Par conséquent, elle doit être contrôlée pour réduire les pertes de paquets ainsi que le délai, et améliorer les performances des réseaux véhiculaires. Le contrôle de congestion dans les réseaux VANets est une tâche difficile en raison des caractéristiques spécifiques des VANets, telles que la grande mobilité des nœuds à haute vitesse, le taux élevé de changement de topologie, etc. Le contrôle de congestion dans les réseaux VANets peut être effectué en ayant recours à une stratégie qui utilise l'un des paramètres suivants : le taux de transmission, la puissance de transmission, la priorisation et l'ordonnancement, ainsi que les stratégies hybrides. Les stratégies de contrôle de congestion dans les réseaux VANets doivent faire face à quelques défis tels que l'utilisation inéquitable des ressources, la surcharge de communication, le délai de transmission élevé, et l'utilisation inefficace de la bande passante, etc. Par conséquent, il est nécessaire de développer de nouvelles approches pour faire face à ces défis et améliorer la performance des réseaux VANets. Dans cette thèse, dans un premier temps, une stratégie de contrôle de congestion en boucle fermée est développée. Cette stratégie est une méthode de contrôle de congestion dynamique et distribuée qui détecte la congestion en mesurant le niveau d'utilisation du canal. Ensuite, la congestion est contrôlée en ajustant la portée et le taux de transmission qui ont un impact considérable sur la saturation du canal. Ajuster la portée et le taux de transmission au sein des VANets est un problème NP-difficile en raison de la grande complexité de la détermination des valeurs appropriées pour ces paramètres. Considérant les avantages de la méthode de recherche Tabou et son adaptabilité au problème, une méthode de recherche multi-objective est utilisée pour trouver une portée et un taux de transmission dans un délai raisonnable. Le délai et la gigue, fonctions multi-objectifs de l'algorithme Tabou, sont minimisés dans l'algorithme proposé. Par la suite, deux stratégies de contrôle de congestion en boucle ouverte sont proposées afin de réduire la congestion dans les canaux en utilisant la priorisation et l'ordonnancement des messages. Ces stratégies définissent la priorité pour chaque message en considérant son type de contenu (par exemple les messages d'urgence, de beacon, et de service), la taille des messages, et l'état du réseau (par exemple, les métriques de la vélocité, la direction, l'utilité, la distance, et la validité). L'ordonnancement des messages est effectué sur la base des priorités définies. De plus, comme seconde technique d'ordonnancement, une méthode de recherche Tabou est employée pour planifier les files d'attente de contrôle et de service des canaux de transmission dans un délai raisonnable. A cet effet, le délai et la gigue lors de l'acheminement des messages sont minimisés. Enfin, une stratégie localisée et centralisée qui utilise les ensembles RSU fixés aux intersections pour détecter et contrôler de la congestion est proposée. Cette stratégie regroupe tous les messages transférés entre les véhicules qui se sont arrêtés à une lumière de signalisation en utilisant les algorithmes de Machine Learning. Dans cette stratégie, un algorithme de k-means est utilisé pour regrouper les messages en fonction de leurs caractéristiques (par exemple la taille des messages, la validité des messages, et le type de messages, etc.). Les paramètres de communication, y compris le portée et le taux de transmission, la taille de la fenêtre de contention, et le paramètre AIFS (Arbitration Inter-Frame Spacing) sont déterminés pour chaque grappe de messages en vue de minimiser le délai de livraison. Ensuite, les paramètres de communication déterminés sont envoyés aux véhicules par les RSUs, et les véhicules opèrent en fonction de ces paramètres pour le transfert des messages. Les performances des trois stratégies proposées ont été évaluées en simulant des scénarios dans les autoroutes et la circulation urbaine avec les simulateurs NS2 et SUMO. Des comparaisons ont aussi été faites entre les résultats obtenus à partir des stratégies proposées et les stratégies de contrôle de congestion communément utilisées. Les résultats révèlent qu'avec les stratégies de contrôle de congestion proposées, le débit du réseau augmente et le taux de perte de paquets ainsi que de délai diminuent de manière significative en comparaison aux autres stratégies. Par conséquent, l'application des méthodes proposées aide à améliorer la performance, la sureté et la fiabilité des VANets.  ABSTRACT: Vehicular Ad hoc Networks (VANets) are designed to provide reliable wireless communications between high-speed mobile nodes. In order to improve the performance of VANets' applications, and make a safe and comfort environment for VANets' users, Quality of Service (QoS) should be supported in these networks. The delay and packet losses are two main indicators of QoS that dramatically increase due to the congestion occurrence in the networks. Indeed, due to congestion occurrence, the channels are saturated and the packet collisions increase in the channels. Therefore, the congestion should be controlled to decrease the packet losses and delay, and to increase the performance of VANets. Congestion control in VANets is a challenging task due to the specific characteristics of VANets such as high mobility of the nodes with high speed, and high rate of topology changes, and so on. Congestion control in VANets can be carried out using the strategies that can be classified into rate-based, power-based, CSMA/CA-based, prioritizing and scheduling-based, and hybrid strategies. The congestion control strategies in VANets face to some challenges such as unfair resources usage, communication overhead, high transmission delay, and inefficient bandwidth utilization, and so on. Therefore, it is required to develop new strategies to cope with these challenges and improve the performance of VANets. In this dissertation, first, a closed-loop congestion control strategy is developed. This strategy is a dynamic and distributed congestion control strategy that detects the congestion by measuring the channel usage level. Then, the congestion is controlled by tuning the transmission range and rate that considerably impact on the channel saturation. Tuning the transmission range and rate in VANets is an NP-hard problem due to the high complexity of determining the proper values for these parameters in vehicular networks. Considering the benefits of Tabu search algorithm and its adaptability with the problem, a multi-objective Tabu search algorithm is used for tuning transmission range and rate in reasonable time. In the proposed algorithm, the delay and jitter are minimized as the objective functions of multi-objective Tabu Search algorithm.  Second, two open-loop congestion control strategies are proposed that prevent the congestion occurrence in the channels using the prioritizing and scheduling the messages. These strategies define the priority for each message by considering the content of messages (i.e. types of the messages for example emergency, beacon, and service messages), size of messages, and state of the networks (e.g. velocity, direction, usefulness, distance and validity metrics). The scheduling of the messages is conducted based on the defined priorities. In addition, as the second scheduling technique, a Tabu Search algorithm is employed to schedule the control and service channel queues in a reasonable time. For this purpose, the delay and jitter of messages delivery are minimized.  Finally, a localized and centralized strategy is proposed that uses RSUs set at intersections for detecting and controlling the congestion. These strategy clusters all the messages that transferred between the vehicles stopped before the red traffic light using Machine Learning algorithms. In this strategy, a K-means learning algorithm is used for clustering the messages based on their features (e.g. size of messages, validity of messages, and type of messages, and so on). The communication parameters including the transmission range and rate, contention window size, and Arbitration Inter-Frame Spacing (AIFS) are determined for each messages cluter based on the minimized delivery delay. Then, the determined communication parameters are sent to the vehicles by RSUs, and the vehicles operate based on these parameters for transferring the messages.  The performances of three proposed strategies were evaluated by simulating the highway and urban scenarios in NS2 and SUMO simulators. Comparisons were also made between the results obtained from the proposed strategies and the common used congestion control strategies. The results reveal that using the proposed congestion control strategies, the throughput, packet loss ratio and delay are significantly improved as compared to the other strategies. Therefore, applications of the proposed strategies help improve the performance, safety, and reliability of VANets.


identifier: D'Avignon, K. (2015). Modeling and Experimental Validation of the Performance of Phase Change Material Storage Tanks in Buildings  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le stockage d'énergie thermique dans les bâtiments permet d'atténuer les pointes d'appel de puissance sur le réseau électrique et de synchroniser la demande énergétique à la disponibilité de ressources énergétiques renouvelables, telle l'énergie solaire. Les matériaux à changement de phase (MCP) peuvent être utilisés afin de permettre un tel stockage d'énergie thermique. Ceux-ci offrent une haute densité de stockage énergétique (principalement sous forme d'énergie latente) et un changement de phase à température quasiment constante. L'intégration de MCP dans un réservoir où circule un fluide caloporteur permet de créer un système de stockage actif. La charge et décharge énergétique du réservoir peuvent alors être contrôlées par le débit du fluide caloporteur envoyé dans le réservoir ou vers un contournement. Afin d'assurer une performance adéquate du réservoir de stockage à MCP dans un bâtiment, le comportement dynamique de celui-ci doit être prévisible. Or, le design du réservoir aura un impact crucial sur son fonctionnement : la température de changement de phase du matériau, la géométrie du réservoir et des capsules de MCP influenceront le comportement dynamique de celui-ci. Afin de permettre un design adéquat du réservoir, des outils permettant la simulation énergétique de tels systèmes sont nécessaires. Or, la modélisation du changement de phase, souvent basée sur une relation entre l'enthalpie et la température du matériau, présente certaines difficultés. Elle est, entre autre, limitée par les informations rendues disponibles par les manufacturiers, qui sont souvent incomplètes ou erronées. Les MCP ont aussi tendances à se comporter différemment lors de leur fusion et lors de leur solidification (i.e. présence d'hystérèse) et ils exhibent parfois des phénomènes de surfusion dont l'occurrence est plus stochastique que déterministe. De plus, peu de données expérimentales existent sur le comportement dynamique de tels réservoirs. Ainsi, les modèles numériques actuels sont limités à quelques géométries et rarement validés expérimentalement. Toutes ces problématiques sont soulevées dans cette thèse et des solutions sont abordées. La première partie (chapitre 4) offre une contribution à une méthode de caractérisation normalisée des matériaux à changement de phase, à travers une évaluation critique du traitement des données de la méthode « T-History ». Une proposition est faite quant à la variante qui devrait être adoptée pour déterminer la courbe enthalpie-température de MCP présentant une surfusion importante afin de fournir toutes les informations nécessaires pour la simulation numérique de leur comportement.  ABSTRACT: Thermal energy storage in buildings can attenuate peak power demand to the electric grid and synchronize the heating or cooling load to the availability of renewable energy, such as solar energy. Phase change materials (PCM) can be used to allow such storage of thermal energy. They offer high energy storage density (mainly through latent energy) and a quasi-constant phase change temperature. The integration of PCMs in a tank where a heat transfer fluid can circulate allows the creation of an active thermal storage system. Charging and discharging energy from the reservoir can be controlled by directing the heat transfer fluid into the tank or towards a by-pass. To ensure an adequate performance of the PCM storage tank in a building, its dynamic behaviour must be predictable. The PCM tank's design will have a crucial impact on its operation: the material's phase change temperature, the geometry of the tank and PCM capsules will influence the transient behaviour of the tank. To allow an adequate design of the tank, tools allowing the energy simulation of such systems are required. However, the modelling of phase change itself, often based upon a relation between the enthalpy and temperature of the material, presents some difficulties. It is, amongst other things, limited by the information made available by manufacturers, which are often incomplete or erroneous. PCMs have also the tendency to behave differently during their fusion and solidification processes (i.e. presence of hysteresis) and they exhibit at times a phenomenon of supercooling whose occurrence tends to be more stochastic than deterministic. Moreover, little experimental data exists on the transient behavior of such PCM storage tanks. The existing numerical models are limited to a few geometries and have rarely been validated experimentally. All these problems are explored in this thesis and solutions are addressed. The first section of this thesis (Chapter 4) offers a contribution towards a standardised characterisation method for phase change materials through a critical evaluation of the data processing in the T-History Method. A proposal is made concerning the data processing variant which should be adopted to determine the enthalpy-temperature curve of PCMs presenting an important degree of supercooling so that all the required information necessary for its numerical simulation is available. The second section (Chapter 5) concentrates on the detailed experimental testing of a real-scale horizontal storage tank containing rectangular PCM capsules.


identifier: Legrain, A. (2015). Optimisation stochastique de problèmes d'ordonnancement en santé  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les problèmes d'ordonnancement en santé sont complexes, car ils portent sur la fabrication d'ordonnancements qui absorbent les perturbations survenant dans le futur. Par exemple, les nouveaux patients urgents ont besoin d'être intégrés rapidement dans le planning courant. Cette thèse s'attaque à ces problèmes d'ordonnancement en santé avec de l'optimisation stochastique afin de construire des ordonnancements flexibles. Nous étudions en premier lieu la fabrication d'horaires pour deux types d'équipes d'infirmières: l'équipe régulière qui s'occupe des unités de soins et l'équipe volante qui couvre les pénuries d'infirmières à l'hôpital. Quand les gestionnaires considèrent ce problème, soit ils utilisent une approche manuelle, soit ils investissent dans un logiciel commercial. Nous proposons une approche heuristique simple, flexible et suffisamment facile à utiliser pour être implémentée dans un tableur et qui ne requiert presque aucun investissement. Cette approche permet de simplifier le processus de fabrication et d'obtenir des horaires de grande qualité pour les infirmières. Nous présentons un modèle multi-objectif, des heuristiques, ainsi que des analyses pour comparer les performances de toutes ces méthodes. Nous montrons enfin que notre approche se compare très bien avec un logiciel commercial (CPLEX), peut être implémentée à moindre coût, et comble finalement le manque de choix entre les solutions manuelles et les logiciels commerciaux qui coûtent extrêmement cher. Cette thèse s'attaque aussi à l'ordonnancement des chirurgies dans un bloc opératoire, fonctionnant avec un maximum de deux chirurgiens et de deux salles, en tenant compte de l'incertitude des durées d'opérations. Nous résolvons en premier lieu une version déterministe, qui utilise la programmation par contraintes, puis une version stochastique, qui encapsule le programme précédent dans un schéma de type ``sample average approximation''. Ce schéma produit des plannings plus robustes qui s'adaptent mieux aux variations des durées de chirurgies. Cette thèse présente le problème de prise de rendez-vous en temps réel dans un centre de radiothérapie. La gestion efficace d'un tel centre dépend principalement de l'optimisation de l'utilisation des machines de traitement. En collaboration avec le Centre Intégré de Cancérologie de Laval, nous faisons la planification des rendez-vous patients en tenant compte de leur priorité, du temps d'attente maximale et de la durée de traitement, le tout en intégrant l'incertitude reliée à l'arrivée des patients au centre. Nous développons une méthode hybride alliant optimisation stochastique et optimisation en temps réel pour mieux répondre aux besoins de planification du centre. Nous utilisons donc l'information des arrivées futures de patients pour dresser le portrait le plus fidèle possible de l'utilisation attendue des ressources. Des résultats sur des données réelles montrent que notre méthode dépasse les stratégies typiquement utilisées dans les centres. Par la suite, afin de proposer un algorithme stochastique et en temps réel pour des problèmes d'allocation de ressources, nous généralisons et étendons la méthode hybride précédente. Ces problèmes sont naturellement très complexes, car un opérateur doit prendre dans un temps très limité des décisions irrévocables avec peu d'information sur les futures requêtes. Nous proposons un cadre théorique, basé sur la programmation mathématique, pour tenir compte de toutes les prévisions disponibles sur les futures requêtes et utilisant peu de temps de calcul. Nous combinons la décomposition de Benders, qui permet de mesurer l'impact futur de chaque décision, et celle de Dantzig-Wolfe, qui permet de s'attaquer à des problèmes combinatoires. Nous illustrons le processus de modélisation et démontrons l'efficacité d'un tel cadre théorique sur des données réelles pour deux applications: la prise de rendez-vous et l'ordonnancement d'un centre de radiothérapie, puis l'assignation de tâches à des employés et leur routage à travers l'entrepôt.  ABSTRACT: Scheduling problems are very challenging in healthcare as they must involve the production of plannings that absorb perturbations which arise in the future. For example, new high-priority patients needs to be quickly added in the computed plannings. This thesis tackles these scheduling problems in healthcare with stochastic optimization such as to build flexible plannings. We first study the scheduling process for two types of nursing teams, regular teams from care units and the float team that covers for shortages in the hospital. When managers address this problem, they either use a manual approach or have to invest in expensive commercial tool. We propose a simple heuristic approach, flexible and easy enough to be implemented on spreadsheets, and requiring almost no investment. The approach leads to streamlined process and higher-quality schedules for nurses. %improves both the process and the quality of the resulting schedule. The multi-objective model and heuristics are presented, and additional analysis is performed to compare the performance of the approach. We show that our approach compares very well with an optimization software (CPLEX solver) and may be implemented at no cost. It addresses the lack of choice between either manual solution method or a commercial package at a high cost. This thesis tackles also the scheduling of surgical procedures in an operating theatre containing up to two operating rooms and two surgeons. We first solve a deterministic version that uses the constraint programming paradigm and then a stochastic version which embeds the former in a sample average approximation scheme. The latter produces more robust schedules that cope better with the surgeries' time variability. This thesis presents an online appointment booking problem for a radiotherapy center. The effective management of such facility depends mainly on optimizing the use of the linear accelerators. We schedule patients on these machines taking into account their priority for treatment, the maximum waiting time before the first treatment, and the treatment duration. We collaborate with the Centre Intégré de Cancérologie de Laval to determine the best scheduling policy. Furthermore, we integrate the uncertainty related to the arrival of patients at the center. We develop a hybrid method combining stochastic optimization and online optimization to better meet the needs of central planning. We use information on the future arrivals of patients to provide an accurate picture of the expected utilization of resources. Results based on real data show that our method outperforms the policies typically used in treatment centers. We generalize and extend the previous hybrid method to propose a general online stochastic algorithm for resource allocation problems. These problems are very difficult in their nature as one operator should take irrevocable decisions with a limited (or inexistent) information on future requests and under a very restricted computational time. We propose a mathematical programming-based framework taking advantage of all available forecasts of future requests and limited computational time. We combine Benders decomposition, which allows to measure the expected future impact of each decision, and Dantzig-Wolfe decomposition, which can tackle a wide range of combinatorial problems. We illustrate the modelling process and demonstrate the efficiency of this framework on real data sets for two applications: the appointment booking and scheduling problem in a radiotherapy center and the task assignment and routing problem in a warehouse.


identifier: Melendez Esquivel, J. A. (2015). Biomass Procurement Cost Minimization for Implementation of a Retrofit Biorefinery in a Pulp and Paper Mill  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La récente récession économique a touché de plein fouet l'industrie des produits du bois, laquelle a dû s'ajuster à la chute de la demande pour ses produits phares, notamment la pâte et le papier. Pour les compagnies forestières, une des pistes de solution consiste à varier l'éventail de produits qu'elles proposent en implantant des procédés de bioraffinage en rétro-installation dans leurs usines. Cependant, la production de produits à valeur ajoutée en plus des produits existants requiert une utilisation plus complète des ressources, et entrainera certainement des changements le long de la chaîne d'approvisionnement. Ainsi, la modernisation d'une usine en rétro-installation s'effectue sur le moyen-à-long terme, et l'évolution de la chaîne d'approvisionnement impacte non seulement l'usine concernée, mais la compagnie dans son ensemble. L'impact sur les coûts de l'usine influencera notamment le choix de la compagnie d'implanter ou non un procédé de bioraffinage donné. Par conséquent, il est dans l'intérêt d'une usine d'explorer au préalable les options d'approvisionnement de la biomasse pour comprendre les effets sur le coût global. L'objectif du présent projet est de déterminer différentes stratégies d'approvisionnement de la biomasse pour une bioraffinerie qui soient économiquement viables, qui engendrent une réduction des coûts d'approvisionnement, tout en satisfaisant les besoins en termes de qualité et de quantité de matière première. La réalisation de la recherche se base sur l'étude de cas d'une usine de papier journal et de son réseau de distribution de produits forestiers. Ce contexte a été utilisé pour le développement du cadre méthodologique et des outils de modélisation requis pour atteindre les objectifs. La structure de la simulation, de l'optimisation et des modèles de coûts associés vise à représenter au mieux les activités d'approvisionnement menées par la compagnie à l'étude. L'approvisionnement en matières premières est destiné aux opérations courantes (papier journal et cogénération) et futures (bioraffinerie) de l'usine. La méthode de comptabilité par activité ou activity-based cost (ABC) a été utilisée par le modèle de simulation pour calculer les coûts de livraison aux usines par produit et bloc de coupe. Ces coûts sont ensuite intégrés au modèle d'optimisation qui vise à satisfaire les demandes de l'usine en matière première sur une base annuelle. Les modèles peuvent être vus comme des plateformes d'évaluation de différentes stratégies d'approvisionnement suivant les processus entrepris par la bioraffinerie durant sa période d'activité. De l'analyse de ces processus découlent des informations relatives aux quantités de matière première et coûts qui guideront les décideurs dans leur sélection d'une stratégie de bioraffinage qui tienne compte de manière effective des ressources disponibles. Le projet analyse les coûts d'approvisionnement en matière première et la faisabilité de onze scénarios impliquant deux technologies de bioraffinage : (1) la pyrolyse rapide et (2) le fractionnement de la biomasse utilisant un solvant organique, dit Organosolv. Les scénarios considèrent différentes variantes d'intégration au procédé de production de papier journal de l'usine, sur un horizon de vingt ans. Dans cet horizon de temps, l'usine peut (ou non) décider de stopper, partiellement ou complètement, la production de papier journal. En plus des lignes de production de pâte et papier et des procédés de bioraffinage implantés, l'usine possède aussi une chaudière à biomasse et une unité de cogénération qui desservent les besoins en vapeur et en électricité de l'usine. Les variations des prix et de la demande en énergie des procédés implantés sont considérées sur la durée du projet, de même que les variations de la demande en biomasse pour le fonctionnement de la chaudière. Les nouvelles contraintes s'appliquant à la chaine d'approvisionnement en biomasse suite à l'implantation de nouveaux procédés ont été intégrées au modèle d'optimisation. Afin de réduire les coûts d'approvisionnement, les systèmes de récolte en forêt ont été changés du bois court au bois long, sur une période de 10 ans. Le changement de système devrait améliorer la récolte pour plusieurs produits (bois de sciage, bois à pâte, bois de chauffage et résidus) et réduire les coûts de récolte. Aussi, des contrats d'échange ont été mis en place pour assurer l'acheminement des copeaux produits par les scieries à l'usine de pâte et à la biorafinnerie. Les scenarios testés se concentrent sur la satisfaction de la demande en matière première selon les ressources disponibles dans la région pour les différents processus initiés ou stoppés à l'usine au cours des phases de transition de l'usine de pâte vers une usine de bioraffinage, tout en minimisant les coûts d'approvisionnement au cours de l'horizon de temps du projet. Les analyses et comparaisons de scénarios de bioraffinage couplées à l'optimisation de l'approvisionnement en biomasse permettent de déterminer quelle implantation de bioraffinage est techniquement et économiquement la plus réalisable pour l'usine et ses partenaires. Les résultats de l'analyse des scénarios indiquent que des coûts d'approvisionnement moindres sont obtenus quand le procédé de pyrolyse rapide est implanté comparativement au fractionnement par solvant organique. Ce résultat s'explique notament par le coût d'approvisionnement de copeaux de feuillus depuis une forêt en contenant peu. Des compromis pour chaque scénario ont été trouvés, permettent qui peuvent leur implantation à l'usine. Par exemple, le scénario créant le plus faible coût d'approvisionnement, induit un approvisionnement en copeaux de résineux pour le procédé de pyrolyse rapide, et une fermeture complète des lignes de production de papier journal lors de la sixième année. Cependant, en analysant le ratio du coût de la biomasse par rapport au revenu, le scénario se révèle avoir une valeur inacceptablement élevée à cause du compromis entre un produit (le papier journal) et un autre de moindre valeur (huile bio, vendue comme carburant de substitution). Pour d'autres scénarios de bioraffinage qui requièrent de plus grandes quantités de ressources forestières pour les procédés actuels et futurs de l'usine (par exemple utilisation de copeaux de bois de sciage pour la ligne de production de papier journal et utilisation de déchets de bois pour la pyrolyse rapide), la matière issue de la récolte est mieux exploitée. Il ressort cependant que ces scénarios tendent aussi à avoir des coûts annuels de biomasse plus élevés, à cause de la plus grande quantité de matière à acquérir. En ce qui est du fractionnement de la biomasse utilisant un solvant organique, le rapport du coût de la biomasse sur le revenu est acceptable seulement pour les scénarios où la production de papier journal est continue; ce qui sous-entend l'existence d'un flux continu de revenus issu de la vente du papier journal. Idéalement dans cette situation, l'usine augmenterait la capacité du procédé Organosolv. Cependant, l'étudié ne permet pas l'approvisionnement de telles quantités de matière (plus de 1000 tonnes/jour de copeaux pour le procédé de bioraffinage). Ainsi, le choix de la stratégie d'approvisionnement à utiliser dépendra grandement de la décision de l'usine de maintenir ou non sa ligne de production de papier journal. Dans l'ensemble le meilleur scénario pour l'usine serait celui de l'implantation d'une unité de pyrolyse rapide utilisant les déchets de bois, dont la bio-huile serait vendue comme substitut de combustible lourd, tout en maintenant la ligne de production du papier journal. D'autre part, si le procédé Organosolv était implanté, sa capacité ne devrait pas dépasser les 750 tonnes/jour, pour que le réseau d'approvisionnement de la biomasse puisse fournir assez de copeaux aux deux procédés (production de pâte, et bioraffinerie). Avec le développement et l'application de modèles de simulation et d'optimisation pour évaluer les scénarios de bioraffinage, tous les objectifs de ce projet de doctorat sont atteints et les hypothèses vérifiées, tout en contribuant à l'ensemble des connaissances.  ABSTRACT: As the forest industry emerges from the last economic recession, it finds itself evolving, to adjust to changes happening in their product markets (wood products, pulp and paper, etc.). In order to flourish in these new markets, many changes will come about in forestry firms, including expanding product portfolios by incorporating more biorefinery processes into current facilities. However, the added production of multiple value-added products along with current production will imply a more complete utilization of current feedstocks, and will most likely put a strain on the feedstock procurement supply chain. Thus, as the transformation of mills into retrofit forest biorefineries occurs over a medium-to-long period of time, additional changes will have to occur throughout the mill (and company) supply-chains. These changes in procurement supply chains will have an impact on the bottom-line costs of the mill, and may ultimately determine whether or not a process is implemented. Therefore, it is in the best interest of the mills to explore biomass material procurement options beforehand, in order to better understand their effects on overall costs. The objective of the project was to determine the conditions where different biomass procurement strategies for a biorefinery, result in reduced feedstock procurement costs, such that, they satisfy the facility's feedstock quantity and quality requirements, and are economically viable for a forestry firm in a competitive market. A case study newsprint mill along with its forest material supply network was used to develop the necessary methodological framework and required modeling tools to prove the objectives. The simulation, optimization, and their associated cost models aim to imitate realistic procurement activities to source forest material for all of their current (i.e. newsprint and cogeneration) and future (i.e. biorefinery) operations. Activity-based cost (ABC) accounting methods, were used within the simulation model, to calculate delivered product costs for each product extracted from each harvesting cutblock in the network, which was then used in the optimization model to fulfill the customers' feedstock demands on an annual basis. The models can thus be used as a platform for evaluating various optimized procurement strategies for a company according to the process activities (which will determine the feedstock requirements) undertaken during the biorefinery's lifespan. This creates valuable feedstock x quantity and cost information which will assist decision-makers in developing the correct biorefinery implementation strategy that considers existing feedstock resources within the area. The project analyzed the feedstock procurement costs and feasibility of 11 biorefinery scenarios involving two biorefinery technologies (fast pyrolysis, and organic solvent pulping) retrofitted in a newsprint production mill, over a 20 year biorefinery project lifespan. During this time, the newsprint mill may (or may not) choose to partially (or completely) shut down newsprint production. Along with the main pulp and paper production lines, and the implemented biorefinery processes, the mill also has a biomass boiler and cogeneration plant to produce steam and power consumed at the mill. Over the lifespan of the project, steam and power demands will change depending on the processes implemented, and so will the biomass demands of the boiler. Along with process changes, other modifications are done to the biomass procurement supply chain and included within the optimization model as constraints. To reduce biomass procurement costs, forest harvesting systems are changed from cut-to-length to full-tree equipment over a 10 year period of time. This harvesting system change is expected to improve the integrated harvesting of multiple forest products (sawlogs, pulp logs, fuel logs and residues) as well as reduce harvesting costs due to the lower harvesting cost of using a full-tree system. Also, fibre exchange contracts are in place with local sawmills to exchange sawlogs harvested for chip materials used by the pulp and paper mill and biorefinery. The tested scenarios focused on fulfilling feedstock demand according to available resources in the area, for the different processes being initiated or shutdown at the mill during the transition phases from P&P mill to biorefinery, while minimizing procurement costs over the lifespan of the project. Biorefinery scenario analyses coupled with optimized biomass procurement costs for the simulated forest network determined which biorefinery implementation has the best technical and economic feasibility for the mill, and surrounding forest industry. Results from the scenario analyses indicate that lower procurement costs are obtained when a pyrolysis process is implemented instead of an organic solvent due to the higher cost of providing hardwood chips from a forest with low amounts of hardwoods. xi Certain trade-offs were found to be present in each scenario, that may affect their application in the newsprint mill used. The lowest cost procurement scenario for example involves the procurement of softwood chips for the pyrolysis process, as well as a complete exit from newsprint operations by year six. However, when analyzed with a biomass cost to revenue ratio, this scenario was found to have a value above 0.5 which makes it economically un-attractive. This is due in part to the trade-off of one commodity product (newsprint) for another (bio-oil) with lesser value (sold as a fuel oil substitute). In other biorefinery scenarios that utilize higher quantities of products from the forest for both the current and future biorefinery processes (e.g running newsprint while running pyrolysis biorefinery using hogfuel as a feedstock) tend to better utilize all the materials coming from harvesting operations (i.e. chips, residues, barks, hogfuels); nevertheless, they also tend to have higher total biomass costs per year due to the procurement of larger quantities of materials. In the organic solvent pulping biorefinery, the biomass cost to revenue ratio was found to be acceptable only in scenarios where newsprint production was continued, due to the continued revenues from newsprint. Ideally in this situation the mill would increase the capacity of the organosolv process, however it was found that the biomass network cannot provide such large quantities of materials (above 1000 dry tonnes per day of woodchips for the biorefinery process). Thus, the decision on which procurement strategy to use will depend on whether the mill decides or not to maintain its newsprint production. If newsprint production is continued, and a pyrolysis technology is selected, than the use of hogfuel as a feedstock for the pyrolysis process is better suited as it will reduce feedstock costs, since there is an abundance of unused hogfuel in the supply chain. On the other hand, if organic solvent production is used, newsprint production must be maintained and the scale of the organosolv process needs to be reduced to 750tpd for the biomass procurement network to be able to produce enough woodchips to supply both processes. With the development and application of both simulation and optimization models to evaluate biorefinery scenarios, all the objectives of the PhD study were accomplished, and the hypotheses proven, while contributing to the body of knowledge.


identifier: Poulin, J. (2015). Toward Cold Atom Guidance in a Hollow-Core Photonic Crystal Fibre Using a Blue Detuned Hollow Laser Beam  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse décrit les progrès et techniques réalisées pour obtenir un couplage efficace d'atomes froids 85Rb dans une fibre optique en cristaux photonique à coeur vide et utilisant un guidage atomique à l'aide d'un faisceau laser creux de premier ordre décalé en fréquence vers le bleu. Dans le système proposé, la faible diffraction de ce faisceau de premier ordre lui permet d'agir comme un entonnoir optique à potentiel répulsif servant à guider les atomes froids,avec l'aide de la gravité, dans le coeur de la fibre optique. L'utilisation d'une fibre optique à faible perte, plutôt qu'un capillaire permet de développer le potentiel de guider les atomes sur une trajectoire arbitraire et des distances à l'échelle du laboratoire. Ceci permettrait ainsi plusieurs nouvelles applications en nanofabrication et en métrologie optique. Pour réaliser cet objectif, un piège Magnéto-Optique de 85Rb a été bâtit de zéro et en utilisant les techniques les plus avancées de refroidissement laser par gradient de polarisation a permis d'atteindre régulièrement des températures de 9K dans une mélasse optique contenant 10 7 atomes. Ces atomes froids furent guidés au-delà de 23 cm dans un faisceau creux collimé et décalé vers le bleu et au travers de ce faisceau focalisé de manière à reproduire les conditions d'entrée dans une fibre optique tout en permettant une observation précise des dynamiques de couplage. Trois classes d'atomes furent observées : perdus, piégés et guidés. Les dynamiques de ce système ainsi que les conditions optimales de couplage ont été identifiés grâce au modèle physique numérique ayant été développée. Une nouvelle approche au problème de la modélisation de la dynamique des atomes froids dans l'entonnoir optique a été développée au cours de cette thèse. Ce nouveau modèle a permis de reproduire la dynamique des atomes observés dans l'expérience mais a aussi pu être appliqué dans la simulation d'atomes froids dans le piège Magnéto-Optique et à la prédiction des températures atteintes dans diverses conditions expérimentales. Ceci a été réalisé grâce à la modélisation 3D des composantes conservatives and non-conservatives des forces optiques agissant sur les atomes. L'implémentation des mécanismes d'échauffement connu des atomes :la diffusion de lumière et de leur quantité de mouvement, fût aussi cruciale à cette fin. Ce modèle nous a aidé à identifier les meilleures conditions de couplage dans ce système,corroboré par l'expérience, et qu'il existait un potentiel optique optimal, pour une distance de couplage déterminé, qu'il ne fallait pas dépasser. Un faisceau LG01, monomode et de haute pureté fût généré avec une efficacité supérieure à 50% en utilisant un hologramme à valeurs complexes généré par ordinateur et rendu grâce à un modulateur de phase spatiale à base de cristaux liquides.  ABSTRACT: This thesis describes advances and techniques toward the efficient coupling of cold 85Rb atoms into a low loss hollow core photonic crystal fibre using a blue-detuned first order hollow beam. In the proposed system, the low diffraction of the blue-detuned first order hollow beam acts as a repulsive potential optical funnel that allows the coupling of cold atoms under the influence of gravity into the fibre's hollow core. Using a low loss fibre with a blue detuned hollow beam shows potential for guiding atoms over an arbitrary path and longer distances on the laboratory scale, which would enable several new applications in nanofabrication and optical metrology. To realize this objective, a Magneto-Optical Trap of 85Rb was built from scratch and by using advanced polarization gradient cooling techniques was turned into a 9 K cold optical molasses containing 107 atoms. These cold atoms were guided over 23 cm in a collimated blue detuned hollow beam tunnel and through a focused hollow beam mimicking as closely as possible the coupling conditions for a hollow core optical fibre. Three classes of atoms were observed: lost, trapped and guided atoms. The dynamics of the system as well as the optimal coupling conditions were identifed through the use of a numerical model. A novel approach to modelling cold atom dynamics in an optical funnel was developed during the course of this thesis. This new model was not only able to reproduce the dynamics of atoms in the experiment but also simulate dense cold atoms cooled into the MOT and predict final temperatures attained. This was achieved by 3D modelling of the conservative and non-conservative components of optical forces acting on atoms but also through the implementation of known heat mechanisms: light scattering and momentum diffusion. The model identifed the best coupling conditions of this system, confirmed by experiment, and an optimal light potential for a given distance of coupling that must not be exceeded. A single mode, high purity, LG01 beam was generated with over 50% conversion efficiency from a Gaussian mode using a complex-valued computer generated hologram (CGH) rendered on a phase-only liquid-crystal spatial light modulator (SLM). A system-wide 35% conversion efficiency was achieved from the laser output to the vacuum chamber input. Several micro-structured polymer optical fibres and silica hollow-core band-gap photonic crystal fibres with Kagome claddings were evaluated. A single defect, large hollow core (50m diameter) Kagome cladding fibre was identified as a suitable solution for guiding cold 85Rb atoms.


identifier: Restrepo Ruiz, M. I. (2015). Grammar-Based Decomposition Methods for Multi-Activity Tour Scheduling  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les problèmes de planification d'horaires du personnel consistent à sélectionner un ensemble de quarts de travail en respectant certaines règles, et à assigner un certain nombre d'employés à chaque quart de travail, de sorte à satisfaire la demande de personnel. Ces problèmes sont généralement classés en trois catégories: planification des quarts de travail, planification des jours de repos et planification des patrons de travail. La première catégorie a pour but d'assigner les périodes de travail et de repos aux quarts de travail, et à sélectionner un ensemble de ces quarts de travail pour satisfaire les besoins en personnel. En planification des quarts de travail, l'horizon de planification est en général d'une journée, divisée en périodes de longueurs égales. La deuxième catégorie vise à sélectionner les jours de repos de chaque employé sur un horizon de planification d'au moins une semaine. Cette sélection est généralement contrainte par les préférences des employés ou par des conventions collectives. La dernière catégorie comprend les problèmes qui découlent de l'intégration des problèmes de planification des quarts de travail et de planification des jours de repos. Dans la version continue du problème de planification des patrons de travail, les quarts de travail peuvent s'étendre sur deux jours. Par contre, dans la version discontinue les quarts de travail doivent couvrir une seule journée. Différentes extensions du problème de planification d'horaires du personnel apparaissent lorsque des applications réelles sont considérées. Par exemple, dans les problèmes de planification des quarts multi-activités (MASSP) ou planification des patrons de travail multi-activités (MATSP), en plus de la définition des périodes de travail et de repos, des activités de travail différentes doivent être attribuées aux quarts de travail. Dans un contexte de multi-activités, les caractéristiques spécifiques liées aux règles de travail, aux conventions collectives, aux compétences des employés et à leurs préférences définissent un ensemble de règles à respecter pour construire les horaires des employés. D'autre part, le MASSP et le MATSP peuvent être soit personnalisés soit anonymes. Dans le premier cas, les employés ont des compétences et des préférences différentes, alors qu'elles sont identiques dans le second. Le problème peut également être stochastique, dans ce cas les besoins en employés (la demande) est incertaine. Dans cette thèse, nous aborderons trois catégories de MATSP : 1) MATSP discontinu, personnalisé, avec demande déterministe; 2) MATSP discontinu, anonyme avec demande déterministe; 3) MATSP discontinu, anonyme, avec demande stochastique. Pour résoudre ces problèmes, nous proposons différentes techniques de modélisation et de résolution qui sont principalement basées sur les méthodes de décomposition et les langages formels. Notre première contribution réside dans la conception de deux méthodes de type branch-and-price (B&P) pour aborder l'intégration de deux problèmes : le MASSP personnalisé et le problème de planification des patrons de travail discontinu. Chaque algorithme B\&P repose sur une formulation mathématique différente. La première formulation (formulation basée sur les jours) est une extension naturelle du MASSP personnalisé, ou les colonnes correspondent aux quarts de travail multi-activités, et les patrons de travail sont assemblés dans le problème maitre en utilisant des contraintes supplémentaires. Dans la seconde formulation (formulation basée sur les patrons de travail), le sous problèmes consistent à construire les quarts de travail multi-activités ainsi qu'à choisir les jours de repos. Par conséquent, dans cette formulation, les colonnes correspondent aux patrons de travail multi-activités. Dans les deux formulations, l'utilisation de grammaires nous permet de modéliser toutes les règles de travail pour la composition des quarts de travail, et de déduire des structures de graphes spéciales permettant de trouver les quarts de travail avec un coût réduit négatif. Une comparaison expérimentale et théorique de la qualité des bornes obtenues par la relaxation linéaire de chacune des formulations est réalisée. Les résultats montrent que la formulation basée sur les patrons de travail est meilleure (relativement aux bornes obtenues par la relaxation linéaire) que la formulation basée sur les jours. De plus, nos expériences montrent d'une part que les approches de modélisation proposées peuvent traiter une grande variété de règles sur les quarts de travail et sur les patrons de travail, et d'autre part que les méthodes implémentées peuvent résoudre efficacement des versions réalistes du problème. Les approches proposées sont clairement pertinentes en pratique, cependant des problèmes liés à la taille du modèle apparaissent lorsque le nombre d'activités et d'employés augmentent. La seconde contribution est une approche qui combine la décomposition de Benders et la génération de colonnes pour résoudre le problème intégrant le MASSP anonyme et la planification des patrons de travail discontinue. Afin de résoudre les problèmes de croissance des modèles et de symétrie associés aux nombres d'activités et d'employés, une autre façon de modéliser le MATSP est présentée. Les quarts de travail multi-activités sont implicitement générés par un modèle de programmation en nombres entiers basé sur une grammaire, alors que les patrons de travail sont explicitement composés via la génération de colonnes. Comme les sous-problèmes de l'approche de Benders sont des MIP qui n'ont pas la propriété d'intégralité, nous présentons une stratégie qui combine la génération de coupes de Benders classiques avec des coupes de Benders entières afin de garantir la convergence de la méthode. Les résultats expérimentaux montrent : 1) la capacité de notre approche à résoudre des cas pratiques impliquant un grand nombre d'employés et d'activités de travail; 2) que l'approche combinant la décomposition de Benders et la génération de colonnes à de meilleures performances que la méthode B&P pour le MATSP discontinu anonyme. Notre dernière contribution présente une approche de programmation stochastique en deux étapes pour résoudre le MATSP stochastique, discontinu, et anonyme. Les décisions de la première étape correspondent à l'affectation des employés aux patrons de travail. Les décisions de la deuxième étape (actions de recours) sont associées à la répartition des activités de travail et des pauses dans les quarts de travail. Une heuristique de type multi-cut L-shaped est présentée. Les expériences montrent que les performances de la méthode dépendent du profil de la demande, et que l'utilisation du modèle stochastique permet de réduire les coûts, en comparaison avec l'espérance de la solution moyenne.  ABSTRACT: Personnel scheduling problems consist in constructing a set of feasible shift schedules and assigning them to the company staff to satisfy a given demand for staff requirements. These problems are typically classified into three main categories: shift scheduling, days-off scheduling and tour scheduling. The first category deals with the specification of work and rest periods to assign to shifts, as well as the selection of a set of those shifts to satisfy the demand for staff requirements. In shift scheduling, the planning horizon is usually one day divided into time periods of equal length. The second category involves the selection of days-off over a planning horizon of at least one week. Such selection is usually restricted by employee preferences or workplace agreements. The last category includes problems that arise from the integration of shift scheduling and days-off scheduling. The continuous version of the tour scheduling problem appears when shifts are allowed to span from one day to another. The discontinuous version arises when shifts span only one working day. Different extensions of classical personnel scheduling problems appear when real applications are considered. For instance, when more than one work activity has to be scheduled, the multi-activity shift scheduling (MASSP) and the multi-activity tour scheduling (MATSP) problems appear. In both extensions not only the specification of work and rest periods is necessary, but also the assignment of work activities to the shifts. In a multi-activity context, specific characteristics related to work rules, workplace agreements, and employee skills and preferences define the rules to build the schedule of employees. The MASSP and the MATSP can further be distinguished as personalized and anonymous problems. In the former, employee skills and preferences are different. In the latter, employee skills and preferences are identical. Additionally, if employee requirements (demand) is uncertain, the stochastic version of the problems appears. In this thesis we address three categories of the MATSP: 1) the discontinuous MATSP when employees have different skills and demand is deterministic; 2) the discontinuous MATSP when employees are identical and demand is deterministic; 3) the discontinuous MATSP when employees are identical and demand is stochastic. To address these problems we propose different modeling approaches and solution techniques which are mainly based on decomposition methods and formal languages. Our first contribution lies in the proposal of two branch-and-price (B&P) methods to address the integration of two problems: the personalized MASSP and the discontinuous tour scheduling problem. Each B&P algorithm is based on a different mathematical formulation. The first formulation (daily-based formulation) arises as a natural extension of the personalized MASSP, where columns correspond to multi-activity shifts and tours are assembled into the master problem by means of extra constraints. The second formulation (tour-based formulation) aims to include, in the subproblem level, the construction of multi-activity shifts and the assembling of days-off. Therefore, in this formulation the set of columns correspond to multi-activity tours. In both formulations, the use of grammars allows us to model all the work rules for the composition of shifts and to derive specialized graph structures used to find the shifts with negative reduced cost. An experimental and theoretical comparison on the quality of the LP relaxation bounds achieved by each formulation is made. The results show that the tour-based formulation is strong in terms of its LP relaxation bound, when compared with the daily-based formulation. Additionally, computational experiments suggest that the modeling approaches proposed can handle a wide variety of rules over shifts and tours and that the  solution methods implemented efficiently solve realistic versions of the problem. However, while the practical relevance of the approaches is clear, convergence and scalability issues arise when the number of work activities and employees increases. As a second contribution we present an approach that combines Benders decomposition and column generation to solve the integration of the anonymous MASSP and the discontinuous tour scheduling problem. The aim of the approach is to present an alternative way to model the MATSP in order to solve the scalability and symmetry issues associated with the number of work activities and employees. While multi-activity daily shifts are implicitly generated with a grammar-based integer programming model, tour patterns are explicitly composed via column generation. Because Benders subproblems are MIP programs that do not possess the integrality property, we present an alternative algorithmic strategy that combines the generation of classical Benders cuts with integer Benders cuts to guarantee the convergence of the method. Experimental results show: 1) the capability of our approach to solve practical instances involving a large number of employees and work activities; 2) the combined Benders decomposition and column generation approach outperforms a B&P method that solves the anonymous discontinuous MATSP. Our last contribution consists in the introduction of a two-stage stochastic programming approach to solve the discontinuous stochastic MATSP for employees with identical skills. The problem is formulated as a two-stage stochastic programming model. First-stage decisions correspond to the assignment of employees to weekly tours. Second-stage decisions (recourse actions) are related to the allocation of work activities and breaks to daily shifts. A heuristic multi-cut L-shaped method is presented as a solution approach. Computational results show that the performance of the method depends on the demand profile used and that the use of the stochastic model helps to prevent additional costs, when compared with the expected-value problem solutions.


identifier: Brosseau, C. (2015). Récupération de la matière organique biodégradable présente dans l'effluent d'un MBBR à forte charge  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les procédés de traitement des eaux usées à forte charge suscitent un grand intérêt puisqu'ils permettent d'améliorer le bilan énergétique des stations de récupération des ressources de l'eau (StaRRE) pour leur conception ou leur mise à niveau. Le processus de digestion anaérobie permet la valorisation énergétique de la matière organique des boues d'épuration et la production de boues stabilisées, nommées digestat ou biosolides, qui peuvent être réutilisées pour épandage en agriculture. La chaîne de traitement secondaire proposée dans ce projet est composée d'un bioréacteur à lit mobile opéré sous forte charge (high-rate moving bed biofilm reactor; HR-MBBR) pour biotransformer la matière organique biodégradable colloïdale et soluble en matière particulaire suivi d'un procédé de séparation physico-chimique pour récupérer la matière particulaire et une partie de la matière colloïdale. Un procédé biologique opéré sous forte charge à un faible temps de rétention hydraulique s'occupe principalement des fractions colloïdale et soluble de la matière organique en laissant pratiquement inchangée la fraction particulaire, dont s'occupe le procédé de séparation en aval. Les boues biologiques d'un HR-MBBR sont reconnues comme ayant une faible décantabilité, rendant leur récupération ardue. Ainsi, le procédé de séparation en aval doit être suffisamment efficace afin d'atteindre les critères de rejet d'un traitement secondaire.  ABSTRACT: High-rate processes are receiving great interest due to their potential to favor the energy balance of water resource recovery facilities (WRRFs) either for their design or retrofit. Anaerobic digestion is a process that allows the valorization of organic biodegradable matter contained in sludge into biogas. This process also produces a stabilized sludge named digestate or biosolids that can be reused for agriculture purposes. This project proposed a secondary treatment train composed of a high-rate moving bed biofilm reactor (HR-MBBR) to biotransform colloidal and soluble biodegradable organics into particulate matter followed by an enhanced and compact physico-chemical separation process to recover mainly particulate organics and a part of the colloidal matter. A high-rate biological process operated at a low hydraulic retention time aimed at transforming colloidal and soluble fractions of organic matter into a particulate fraction for recovery by downstream separation process. The HR-MBBR effluent solids are known for their poor settleability, therefore requiring an efficient separation process downstream to ensure their recovery and to meet the effluent discharge regulations.


identifier: Petzl Lorenz, C. H. (2015). Mécanismes physiques et fondements théoriques de la récupération d'énergie micro-ondes ambiante pour les dispositifs sans fil à faible consommation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La récupération d'énergie micro-ondes ambiantes (REMA) pour alimenter de circuits à faible consommation et faible rapport cyclique a été le sujet de plusieurs publications au cours des dernières années. L'intérêt par ce sujet a été poussé principalement par les diverses applications prévues par l'Internet des Objets, l'Immotique et les nouveaux développements des dispositifs pour les « Body Area Netwoks ». Un des besoins récurrents que l'on retrouve parmi plusieurs de ces applications est une source d'énergie intégrée, qui ne nécessiterait pas de maintenance régulière, qui serait de petite taille et d'un faible poids. Pour beaucoup d'applications à venir, les piles sont trop encombrantes et demandent un plan de maintenance pour les recharger ou les remplacer, ce qui n'est pas possible. Dans ce contexte, un autre type de source d'énergie est nécessaire. La récupération d'énergie ambiante est ici proposée comme une source alternative de puissance pour ces circuits à faible consommation. Ce travail explore plus spécifiquement la récupération d'énergie micro-ondes ambiantes par l'utilisation centrale de circuits redresseurs à diodes. Un modèle mathématique a tout d'abord été développé pour décrire les mécanismes qui contribuent au processus de redressement d'énergie micro-ondes aux niveaux de puissance que l'on retrouve dans l'ambiant. Ce modèle est évalué en utilisant des résultats de simulation et de mesures réalisées sur trois prototypes fabriqués dans le cadre de cette maîtrise. Le modèle développé inclut les pertes dans les composants parasitiques de l'élément non linéaire utilisé pour le redressement d'énergie ainsi que les pertes d'insertion du réseau d'adaptation d'impédance.  Partant de ce modèle, deux possibilités sont explorées pour améliorer l'efficacité de conversion de puissance des redresseurs micro-ondes actuels, particulièrement pour ceux fonctionnant à des niveaux de puissance trouvés dans la REMA. On considèrera dans ce travail que la plage de puissance correspondant à la REMA se situe à une valeur de crête de -30 dBm, et à des niveaux de puissance moyenne bien en dessous de ce seuil. Un circuit hybride coopératif de récupération d'énergie ambiante va ensuite être proposé. Celui-ci présente la particularité de n'être basé que sur un seul composant non linéaire pour redresser l'énergie micro-ondes et l'énergie mécanique de façon coopérative.  ABSTRACT: Powering low consumption and low duty cycle devices and circuits using Ambient Microwave Energy Harvesting (AMEH) has been the subject of several investigations in recent years. The interest for this research topic has been promoted mainly by various and new applications driven mainly by the Internet of things, Building Automation and new developments in devices for the Body Area Netwoks. A common characteristic among several of these applications is the need for a wireless source which does not require regular maintenance, and has a small size and low weight. Batteries are often too cumbersome and require a maintenance plan to recharge or replace them, which is not always possible. A new source of energy is thus necessary. Ambient energy harvesting is proposed as an alternative source of power to these low power consumption devices and circuits. This M.A.Sc. work is developed to explore the microwave ambient energy harvesting using diode rectifier circuits. A mathematical model is first developed to explain the mechanisms that contribute to the process of recovery of microwave energy in the range of power found in the ambient microwave energy harvesting applications. An evaluation of this model is made using simulation results and then measurements results from three prototypes developed under this M.A.Sc. program. The results show an excellent agreement between the three methods. The developed model includes losses in the parasitic components of the non-linear element used for the rectification of energy as well as the impedance matching network insertion losses. Based on this model, two possible ways of improving the efficiency of ambient microwave power rectifiers at the power levels found in the AMEH are explored. In this work, it is considered that the AMEH takes place within the range of powers with a peak value of -30 dBm, however at average power levels well below this threshold. First, a cooperative hybrid circuit of ambient energy harvesting is presented where collected microwave and mechanical energies are converted in a cooperative manner through a single non-linear component. Theory, simulations and measurements show that the total power recovered by the proposed scheme can provide up to twice the efficiency of a circuit combining the output of two independent harvesters.


identifier: Leyva Ramos, O. (2015). Étude de l'influence de la présence d'un centre de recherche dans la collaboration interdisciplinaire et interuniversitaire  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nombreuses initiatives comme la formation, l'élargissement des centres de recherche et la construction des groupes de recherche interdisciplinaire visent le développement de la collaboration et la favorisation de l'innovation. La collaboration entre les membres d'un centre de recherche est une des motivations pour la formation de ce type de systèmes. Mais très peu d'études se centrent sur la mesure de l'influence de la formation d'un système de recherche sur la collaboration interuniversitaire et l'interdisciplinarité. Ces deux types de collaboration sont importants, car ils se montrent comme une voie à suivre pour pouvoir trouver des solutions à des problèmes dont la portée est au-delà d'un seul champ pratique favorisant ainsi l'innovation. Dans notre travail, on étudie l'impact de la formation du CIRRELT (le Centre interuniversitaire de recherche sur les réseaux d'entreprises, la logistique et le transport) sur la collaboration interdisciplinaire et interuniversitaire à travers les liens entre ses membres. Ces liens sont établis grâce aux documents de recherche variés produits entre les années 2000 et 2014. Les documents utilisés vont des publications dans les journaux scientifiques, communications, présentations et conférences jusqu'au chapitre de livres. Pour mener cette étude, nous utilisons des méthodes bibliométriques et d'analyse de réseaux de collaboration entre les chercheurs. Grâce à ces méthodes, nous avons pu construire une classification disciplinaire des membres du centre de recherche ainsi que mesurer l'évolution de la collaboration interuniversitaire et interdisciplinaire. Pour faire cela, nous avons étudié la co-rédaction des documents de recherche dans le but de déterminer d'une part la collaboration globale au sein du système et d'autre part la diversité et la cohérence des disciplines présentes. Nous avons pu constater que la formation d'une unité de recherche favorise la collaboration d'une manière globale et l'intégration des connaissances de différentes disciplines mais ces effets favorables doivent être supportés par des activités favorisant la collaboration pour atteindre la stabilité.  ABSTRACT: Numerous initiatives such as the creation or expansion of research centers and the construction of interdisciplinary research groups aim to develop collaboration and to favor innovation. Collaboration between members of a research center is one of the goals of the creation of this kind of research system. But only a few studies are focused on measuring the impact of the constitution of a research center, on inter-university collaboration and interdisciplinarity. This two types of collaboration are important because they represent a way to find solutions to problems whose scope is beyond one practice field, thus encouraging innovation. In this paper, we study the effect of the creation of the CIRRELT (Inter-university research center for business networks, logistics and transportation) on the interdisciplinary and inter-university collaboration through the links between its members. This links are established through the coauthorship of research documents produced between the years 2000 and 2014. The research documents used in this paper are: scientific journal publications, communications, presentations, conferences and book chapters. To conduct this study, we use bibliometric methods and collaboration network analysis. Using these methods we were able to build a disciplinary classification of members of the research center and measure the evolution of inter-universty and interdisciplinary collaboration. To do this we studied collaboration in a global way and afterwards we analyzed diversity and coherence of the disciplines represented by the researchers. We have seen that the creation of a research unit promotes collaboration and knowledge integration from different disciplines. But these favorable effects have to be supported by activities or actions that keep promoting the exchange between the members even after the formation of the center to achieve stability trough the establishment of a collaborative culture.


identifier: Frappier, A. (2015). Méthode d'évaluation de la diversité et de la qualité des alternatives de déplacement de transport en commun  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le présent mémoire s'inscrit dans le cadre général de l'amélioration de l'évaluation des trajets de transport en commun (TC). Il permet d'aborder la question de l'attractivité de ce mode par un angle original, puisqu'il s'agit de considérer les alternatives disponibles pour assurer le déplacement entre une origine et une destination. Les alternatives de TC sont ici considérées comme des séquences de lignes et de correspondances différentes. L'hypothèse de départ est que le temps n'est pas la seule variable permettant de décrire la qualité d'une alternative et qu'il est pertinent de considérer la diversité des trajets disponibles et non simplement la meilleure alternative. Le but du projet de recherche est donc de fournir une méthodologie pour déterminer la qualité et la diversité d'un ensemble d'alternatives de TC. Ainsi, ses objectifs sont triples : • Fournir des indicateurs permettant d'évaluer de façon quantitative l'attractivité de chaque alternative; • Permettre d'attribuer un score à chaque alternative dans le but d'effectuer leur classement; • Développer deux indicateurs, un de diversité et un de qualité pour l'ensemble des alternatives disponibles.  ABSTRACT: This thesis lies within the general framework of improving the assessment of transit trips. It allows to address the issue of the attractiveness of this mode towards an original angle, as it is to consider the alternatives available to ensure the trip between an origin and a destination. Transit alternatives are here considered as different sequences of routes and transfers. The assumption is that time is not the only variable to describe the quality of an alternative, and it is relevant to consider the variety of trips available and not just the best alternative. The aim of the research project is to provide a methodology to determine the quality and diversity of transit alternatives. Thus, objectives are threefold: • Providing indicators to quantitatively assess the attractiveness of each alternative; • Allowing to assign a score to each in order to perform their classification; • Developing two indicators, one of diversity and one of quality for all available alternatives.


identifier: Gauthier, L. (2015). Méthode de calibration des logiciels de microsimulation routière à l'aide de l'optimisation sans dérivées  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La modélisation de circulation routière est un outil couramment utilisé en ingénierie des transports afin de prévoir les conséquences de modification au réseau routier ou aux infrastructures de contrôle, ou encore pour évaluer l'impact des fermetures nécessaires aux interventions d'entretien du réseau et de suggérer des mesures de mitigations. Une des familles de logiciels utilisées est celle des logiciels de microsimulation, qui calculent la circulation en décomposant les calculs pour chacun des véhicules présents sur le réseau. Ces logiciels sont flexibles, puisqu'ils permettent aux utilisateurs de choisir les valeurs d'une multitude de paramètres, ce qui permet de les calibrer aux différents comportements routiers observés à travers le monde.  ABSTRACT: Traffic simulation is now a commonly used tool in transportation engineering to assess the impacts of proposed infrastructure, traffic control modifications, and of necessary lane, or road closures, associated with construction sites. Traffic simulation software are divided between families of implemented models and one of them, the microsimulation family, is popular to assess the local impacts of network modifications. Software from the microsimulation family rely on models that simulate individual vehicles, their interactions with each other, and the geometric design of infrastructures, throughout their trips in the studied network. These software are highly flexible since they give practitioners the possibility to modify a large number of parameters, and to calibrate the software to the different driving behaviors observed around the world.


identifier: Sabane, A. (2015). Reducing Object-Oriented Testing Cost Through the Analysis of Antipatterns  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les tests logiciels sont d'une importance capitale dans nos sociétés numériques. Le bon fonctionnement de la plupart des activités et services dépendent presqu'entièrement de la disponibilité et de la fiabilité des logiciels. Quoique coûteux, les tests logiciels demeurent le meilleur moyen pour assurer la disponibilité et la fiabilité des logiciels. Mais les caractéristiques du paradigme orienté-objet—l'un des paradigmes les plus utilisés—complexifient les activités de tests. Cette thèse est une contribution à l'effort considérable que les chercheurs ont investi ces deux décennies afin de proposer des approches et des techniques qui réduisent les coûts de test des programmes orientés-objet et aussi augmentent leur efficacité. Notre première contribution est une étude empirique qui vise à évaluer l'impact des antipatrons sur le coût des tests unitaires orienté-objet. Les antipatrons sont des mauvaises solutions à des problèmes récurrents de conception et d'implémentation. De nombreuses études empiriques ont montré l'impact négatif des antipatrons sur plusieurs attributs de qualité logicielle notamment la compréhension et la maintenance des programmes. D'autres études ont également révélé que les classes participant aux antipatrons sont plus sujettes aux changements et aux fautes. Néanmoins, aucune étude ne s'est penchée sur l'impact que ces antipatrons pourraient avoir sur les tests logiciels. Les résultats de notre étude montrent que les antipatrons ont également un effet négatif sur le coût des tests : les classes participants aux antipatrons requièrent plus de cas de test que les autres classes. De plus, bien que le test des antipatrons soit coûteux, l'étude révèle aussi que prioriser leur test contribuerait à détecter plutôt les fautes. Notre seconde contribution se base sur les résultats de la première et propose une nouvelle approche au problème d'ordre d'intégration des classes. Ce problème est l'un des principaux défis du test d'intégration des classes. Plusieurs approches ont été proposées pour résoudre ce problème mais la plupart vise uniquement à réduire le coût des stubs quand l'approche que nous proposons vise la réduction du coût des stubs et l'augmentation de la détection précoce des fautes. Pour ce faire, nous priorisons les classes ayant une grande probabilité de défectuosité, comme celles participant aux antipatrons. L'évaluation empirique des performances de notre approche a montré son habilité à trouver des compromis entre les deux objectifs. Comparée aux approches existantes, elle peut donc aider les testeurs à trouver des ordres d'intégration qui augmentent la capacité de détection précoce des fautes tout en minimisant le coût de stubs à développer. Dans notre troisième contribution, nous proposons d'analyser et améliorer l'utilisabilité de Madum, une stratégie de test unitaire spécifique à l'orienté-objet. En effet, les caractéristiques inhérentes à l'orienté-objet ont rendu insuffisants les stratégies de test traditionnelles telles que les tests boîte blanche ou boîte noire. La stratégie Madum, l'une des stratégies proposées pour pallier cette insuffisance, se présente comme une bonne candidate à l'automatisation car elle ne requiert que le code source pour identifier les cas de tests. Automatiser Madum pourrait donc contribuer à mieux tester les classes en général et celles participant aux antipatrons en particulier tout en réduisant les coûts d'un tel test. Cependant, la stratégie de test Madum ne définit pas de critères de couverture. Les critères de couverture sont un préalable à l'automatisation et aussi à la bonne utilisation de la stratégie de test. De plus, l'analyse des fondements de cette stratégie nous montre que l'un des facteurs clés du coût des tests basés sur Madum est le nombre de "transformateurs" (méthodes modifiant la valeur d'un attribut donné). Pour réduire les coûts de tests et faciliter l'utilisation de Madum, nous proposons des restructurations du code qui visent à réduire le nombre de transformateurs et aussi des critères de couverture qui guideront l'identification des données nécessaires à l'utilisation de cette stratégie de test. Ainsi, partant de la connaissance de l'impact des antipatrons sur les tests orientés-objet, nous contributions à réduire les côuts des tests unitaires et d'intégration.  ABSTRACT: Our modern society is highly computer dependent. Thus, the availability and the reliability of programs are crucial. Although expensive, software testing remains the primary means to ensure software availability and reliability. Unfortunately, the main features of the objectoriented paradigm (OO)—one of the most popular paradigms—complicate testing activities. This thesis is a contribution to the global effort to reduce OO software testing cost and to increase its reliability. Our first contribution is an empirical study to gather evidence on the impact of antipatterns on OO unit testing. Antipatterns are recurring and poor design or implementation choices. Past and recent studies showed that antipatterns negatively impact many software quality attributes, such as maintenability and understandability. Other studies also report that antipatterns are more change- and defect-prone than other classes. However, our study is the first regarding the impact of antipatterns on the cost of OO unit testing. The results show that indeed antipatterns have a negative effect on OO unit testing cost: AP classes are in general more expensive to test than other classes. They also reveal that testing AP classes in priority may be cost-effective and may allow detecting most of the defects and early. Our second contribution is a new approach to the problem of class integration test order (CITO) with the goals of minimizing the cost related to the order and increasing early defect detection. The CITO problem is one of the major problems when integrating classes in OO programs. Indeed, the order in which classes are tested during integration determines the cost (stubbing cost) but also the order on which defects are detected. Most approaches proposed to solve the CITO problem focus on minimizing the cost of stubs. In addition to this goal, our approach aims to increase early defect detection apability, which is one of the most important objectives in testing. Early defect detection allows detecting defects early and thus increases the cost-effectiveness of testing. An empirical study shows the superiority of our approach over existing approaches to provide balanced orders: orders that minimize stubbing cost while maximizing early defect detection. In our third contribution, we analyze and improve the usability of Madum testing, one of the unit testing strategies proposed to overcome the limitations of traditional testing when testing OO programs. Opposite to other OO unit testing, Madum testing requires only the source code to identify test cases. Madum testing is thus a good candidate for automation, which is one of the best ways to reduce testing cost and increase reliability. Automatizing Madum testing can help to test thoroughly AP classes while reducing the testing cost. However, Madum testing does not define coverage criteria that are a prerequisite for using the strategy and also automatically generating test data. Moreover, one of the key factors in the cost of using Madum testing is the number of transformers (methods that modify a given attribute). To reduce testing cost and increase the easiness of using Madum testing, we propose refactoring actions to reduce the number of transformers and formal coverage criteria to guide in generating Madum test data. We also formulate the problem of generating test data for Madum testing as a search-based problem. Thus, based on the evidence we gathered from the impact of antipatterns on OO testing, we reduce the cost of OO unit and integration testing.


identifier: Picard, F. (2015). Traitement des sols contaminés aux hydrocarbures C10-C50 et aux métaux lourds Cu, Pb, Zn  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse de doctorat présente les travaux réalisés au cours de mes études supérieures à Polytechnique de Montréal. Ces travaux portent sur la remédiation des sols contaminés aux huiles lourdes (C10-C50) et aux métaux lourds Cu, Pb et Zn. Ce projet de recherche s'est concentré sur le développement de nouvelles techniques de remédiation des sols contaminés aux C10-C50 et aux Cu, Pb et Zn. La 1ère partie de ce projet a porté sur l'oxydation d'un sol contaminé aux C10-C50 par une solution d'hypochlorite de calcium (NaClO) assistée ou non par du CO2. Selon les résultats, le NaClO sans CO2 n'est pas efficace pour oxyder les contaminants aliphatiques sur la plage C10-C50. Le CO2 est requis pour abaisser le pH de la solution d'oxydation et ainsi accroître le potentiel d'oxydation du composant actif de l'eau de javel, l'acide hypochloreux (HClO). Les résultats sont présentés afin d'avoir un portrait pratique de cette réaction d'oxydation.  La 2e partie de ce projet a porté sur l'extraction des Cu, Pb et Zn de sols faiblement contaminés par une solution comprenant un chélateur tampon synthétique. Un chélateur tampon est un extractant organique qui porte à la fois des fonctionnalités acide et basique. Ce chélateur synthétique (NTA.3EDA) est le produit de neutralisation de l'acide nitrilotriacétique (NTA) commercial avec l'éthylènediamine (EDA). Dans l'ensemble, la sélectivité du NTA.3EDA est au moins 5 plus grande que celle du NTA pour un rendement d'extraction similaire pour un sol peu contaminé. La 3e partie de ce projet a porté sur le traitement des sols ayant une contamination mixte C10-C50 et métaux lourds. Plus spécifiquement, cette partie du projet s'est concentrée sur l'amélioration du procédé d'oxidation par le NaClO dans une optique de procédé commun pour la remédiation des C10-C50 et des métaux lourds. Ce procédé utilise une solution de NaClO enrichie avec de l'hydroxyde de sodium (NaOH) pour accroître la disponibilité des contaminants au traitement de remédiation. Ce faisant, la quantité requise de chélateur ou d'oxydant pour une décontamination donnée est réduite et la résistance du sol au traitement de remédiation est de beaucoup réduite.  ABSTRACT: This Ph.D thesis summarizes the work performed over the course of my graduate studies at Polytechnique de Montréal. This work was on the remediation of heavy-oil and heavy-metal contaminated soils. More specifically, this research project explored new remediation techniques for petroleum and heavy-metal contaminated soils. The 1st part of this project concerned the investigation of the CO2-assisted oxidation of a heavy-oil contaminated soil by sodium hypochlorite (NaClO). In these results, NaClO with no CO2 was inefficient to oxidize aliphatic contaminants in the C10-C50 range. CO2 was required to lower the oxidation pH and thus to increase the oxidation potential of the active bleach component, hypochlorous acid (HClO). The results are shown with the intent to focus on the practical aspects of this oxidation reaction.  The 2nd part of this project concerned the extraction of heavy metals from contaminated soils by a solution comprising a buffered chelant. A buffered chelant is an extractant bearing acid and base functionalities. This buffered chelant (NTA.3EDA) was the neutralization product of commercial nitrilotriacetic acid (NTA) with ethylenediamine (EDA). Overall, the NTA.3EDA extraction yield for a soil with a low heavy metal content was similar to the commercial NTA extraction yield. However, the NTA.3EDA leaching selectivity for heavy metals was increased at least 5-fold for a weakly contaminated soil. The 3rd part of this project concerned the treatment of soils contaminated with both petroleum components and heavy metals. More specifically, this part of the project focused on improving the NaClO oxidation process and developing a common process that contributes to both the petroleum and heavy metal soil remediation. This process uses a NaClO oxidative solution enriched with sodium hydroxide (NaOH) to increase the contaminants availability to the remediation treatment. By doing so, the chelant or oxidant quantity required for a given decontamination is lowered and the remediation cost brought closer to an economical value.


identifier: Sanhye, W. (2015). Simulation du cycle de refroidissement lors de la coulée d'explosifs fusibles  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation d'outils numériques dans l'industrie de la défense est en pleine essor, notamment pour la mise en oeuvre des explosifs fusibles. Les matériaux énergétiques étant visqueux et possédant une faible conductivité thermique, ils sont caractérisés par un nombre de Prandtl élevé. Par conséquent, le cycle de refroidissement de ces matériaux spéciaux est très long comparé à la coulée de métaux, par exemple. Il est donc impératif d'optimiser ce cycle de refroidissement qui se trouve être l'étape clé dans la mise en forme des matériaux énergétiques. La présente étude met en avant un outil numérique construit avec COMSOL Multiphysics et qui est consacré à la modélisation de la solidification et des contraintes résiduelles engendrées lors du refroidissement d'un matériau énergétique appelé Composition B. La simulation permet de détecter le retrait et comprend une fonction CZM (Cohesive Zone Modeling) pour modéliser l'adhérence aux parois de l'obus. L'étude contient aussi plusieurs étapes de vérification et de validation (V & V), concept important dans le milieu industriel pour assurer performance et fiabilité. Le concept est utilisé ici dans un cadre numérique à différents niveaux. Premièrement, l'approche de solidification a été vérifié grâce à un problème de référence. Ensuite, un modèle complet incluant la convection naturelle dans le fondu, le changement de phase et le calcul de contraintes thermiques a été développé pour un cylindre. Enfin, une étude de convergence impliquant un raffinement de maillage a permis de vérifier l'exactitude de la modélisation. Par la suite, un modèle plus réaliste d'un obus de 105 mm a été construit et les résultats numériques ont été validés par comparaison avec les profils de température obtenus pour un montage expérimental. De plus, ce modèle a permis de prédire la taille et l'emplacement probable de retrait autour de la cloche de l'obus. L'emphase a été également mis sur une technique particulière pour optimiser le refroidissement, à savoir, l'utilisation d'une sonde thermique. Les résultats ont démontré que la fonction première de la sonde était de maintenir le coeur de la pièce chaud et d'ainsi empêcher la formation de porosités ou de vides suite au changement de phase et à la contraction. La simulation numérique confirme aussi une diminution de 23 % du retrait par cette technique. Au terme de ce projet, il est attendu que le partenaire industriel General Dynamics OTS - Canada puisse en utiliser les retombées afin d'optimiser ses lignes de production.  ABSTRACT: Numerical modeling of melt-casting is becoming a popular tool for the energetic materials and explosives industry. Compared to traditional metal casting, the cooling cycle for explosive melts is significantly longer because of their viscosity and low conductivity which results in high Prandtl numbers. Improving the casting process is crucial and readily depends on optimizing the cooling cycle. Furthermore, air entrapment or void formation due to shrinkage can affect the product quality with respect to its combustion/detonation. A comprehensive numerical tool built through COMSOL Multiphysics is proposed and focused to model the solidification process and the development of stresses during the cooling of an explosive formulation melt, namely Composition B. The simulation tool includes the effect of adhesion to the shell through the use a Cohesive Zone Model (CZM) function and it can also account for the formation of gaps due to shrinkage. The core of the modeling work was developed following a verification and validation (V & V) methodology, which is important in various industries to ensure performance and reliability. In the first phase, the chosen approach for solidification was verified against a benchmark problem. Then, a complete numerical model including melt flow, solidification and thermal stresses was set up and run for a simple cylindrical geometry. A mesh refinement study was also performed at this stage to confirm the degree of accuracy of the solution. During the second phase of the project, a new numerical model was built for an actual 105 mm caliber geometry. Numerical predictions were validated with temperature profiles recorded for an actual 105 mm experimental setup. The model also predicted the probable size and location of gap formation, i.e. around the neck region of the explosive shell. The benefits of probe heating to control solidification were also emphasized. The probe's main function was to prevent void formation by keeping the central trunk of the casting hot as long as required. It was also shown that the use of this hot probe during the cooling process can help to reduce gap sizes up to 23 %. The fallouts of this research project are aimed for the industrial partner - General Dynamics OTS Canada to optimize its own production schemes.