identifier: Falahatraftar, F. (2021). Congestion Prediction and Avoidance Mechanisms for Heterogeneous Vehicular Networks  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le réseau hétérogène de véhicules « Heterogeneous Vehicular Network » (HetVNET) est conçu pour fournir des services de sécurité et de non-sécurité en utilisant la communication dédiée à courte portée (DSRC) pour les communications de véhicule à véhicule « Dedicated Short-Range Communication » (V2V) et l'évolution à long terme « Long Term Evolution » (LTE) pour les communications de véhicule à infrastructure « Vehicle-to-Infrastructure » (V2I). HetVNET peut fournir une large couverture avec un débit de données élevé via LTE et un échange de données en temps réel via DSRC. D'après la littérature, HetVNET peut fournir divers services nécessaires au système de transport intelligent (ITS). Toutefois, dans un réseau HetVNET dense, les énormes données générées par les véhicules doivent disposer de suffisamment de ressources pour être acheminées correctement et avec une faible latence. Dans le cas contraire, les données sont reçues à destination avec un retard important ou peuvent même être abandonnées par les dispositifs du réseau. Cette situation conduit à la congestion du réseau. Par conséquent, le problème de congestion du réseau affecte négativement la qualité des services « Quality of Services » (QoS) et les performances du réseau.  ABSTRACT: Heterogeneous Vehicular Network (HetVNET) is designed to provide safety and non-safety services using Dedicated Short Range Communication (DSRC) for Vehicle-to-Vehicle (V2V) and Long Term Evolution (LTE) for Vehicle-to-Infrastructure (V2I) communications. Het- VNET can provide a wide coverage range with high data rate via LTE and real-time data exchange via DSRC. Based on the literature, HetVNET may well provide various required services of the Intelligent Transportation System (ITS). However, in a dense HetVNET, enor- mous data generated by vehicles need enough available resources to be successfully delivered with low latency. Otherwise, the data received in destinations with notably delay or even it might be dropped by the network devices. This situation leads to network congestion in the network. Network congestion problem consequently affects Quality of Services (QoS) and network performance negatively.


identifier: Selwanis, M. M. M. (2021). Ball-in-Track Nonlinear Energy sinks for Galloping Mitigation  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les vibrations induites par un écoulement doivent être considérées pour la conception des structures d'ingénierie. Le galop est un type de vibration induite par un écoulement qui se produit sur les lignes de transmission d'énergie, les faisceaux de câbles et les structures en hauteur. Ce mémoire propose une revue de la littérature qui explique brièvement le mécanisme de galop d'un prisme carré, puis aborde une revue historique sur les absorbeurs de vibrations passifs et leurs applications dans la suppression des vibrations de divers systèmes. Les suppresseurs passifs sont preferables pour leur construction simple qui ne comprend pas de capteurs ou d'actionneurs lourds. Parmi ces dispositifs, les absorbeurs d'énergie non linéaire (Nonlinear Energy sink. NES) n'affectent pas les caractéristiques du système primaire. Dans la présente recherche, nous introduisons un absorbeur purement non linéaire (NES) composé d'une bille se déplaçant librement sur une piste circulaire afin d'atténuer le galop d'un prisme carré. La bille est couplée à la vibration du prisme par une interaction dynamique non linéaire. Les essais en soufflerie évaluent l'impact de ce NES sur l'atténuation du galop en comparant les réponses du prisme avec et sans celui-ci. Ce NES réussit à retarder l'apparition du galop, en présentant différents modes de réponse : oscillatoire, intermittent et rotationnel. Nous définissons le comportement de la bille dans chaque régime et discutons de son effet sur la réponse du prisme. Aux faibles vitesses d'écoulement, le mode de réponse oscillatoire apparaît, dans lequel la bille et le prisme oscillent avec une faible amplitude. Pour des vitesses plus élevées, le régime intermittent apparaît dans une petite plage de vitesse comme mode de transition. À une vitesse d'écoulement encore plus élevée, la bille effectue des révolutions avec des vitesses angulaires relativement élevées dans le régime rotationnel, ce qui entraîne une forte réponse modulée du prisme. La conception simple du NES permet de modifier les dimensions de la piste en échangeant des pièces pour utiliser des billes de différentes masses et tailles. Nous illustrons donc l'effet des principaux paramètres du NES : la masse de la bille, le rayon de la piste du NES, le frottement de la bille et le jeu entre les parois de la piste du NES et la bille en rotation, sur l'amplitude du prisme et la dynamique de la bille. Un modèle proposé, utilisant les mesures du coefficient de force induites par le galop et celle de l'amortissement de la bille, simule la dynamique du prisme carré couplé avec ce NES et prévoit le comportement du système à des vitesses d'écoulement élevées au-delà des limites des expériences. Les expériences statiques en soufflerie ont permis de mesurer le coefficient de force de galop Cy en fonction de l'angle d'attaque du prisme, tandis que les essais de rotation libre ont permis de mesurer le coefficient d'amortissement de la bille cθ. Les expériences démontrent qu'au-delà d'une certaine vitesse angulaire l'amortissement de la balle augmente fortement. La variation de cet amortissement est un avantage du NES ; un amortissement moindre à de faibles vitesses angulaires permet à la bille de démarrer sa rotation, tandis qu'un amortissement relativement important dissipe plus d'énergie de vitesses élevées. Les simulations présentent les trois modes de réponse observés lors des expériences. En outre, elles prédisent un quatrième mode, le régime inefficace, à des vitesses d'écoulement élevées hors de la plage d'efficacité du NES. Dans ce régime, la bille tourne, de façon aleatoire dans les deux directions sans effet d'amortissement sur les amplitudes du prisme. De plus, des estimations analytiques définissent la limite du régime oscillatoire et de la plage effective du NES. La modélisation de la masse primaire comme une excitation paramétrique pour le NES fournit des amplitudes de prisme qui coïncident avec les oscillations stables de la bille, représentant la limite de transition entre les régimes oscillatoire et intermittent. Une analyse développée de la puissance transmise à travers le système intégré prisme-NES explique le comportement du NES et prédit la limite de son efficacité. Nos simulations sont en accord avec les attentes analytiques et les résultats expérimentaux. Enfin, nous utilisons plusieurs billes au lieu d'une seule grande bille de masse totale équivalente pour améliorer l'efficacité du NES. Les collisions entre les billes permettent d'absorber de l'énergie tout en changeant également la dynamique des billes du NES. L'augmentation du nombre de billes déplace le centre de masse effectif de l'ensemble des billes et encombre la piste du NES. L'essai de diverses configurations de NES à plusieurs billes de masse équivalente fournit une valeur optimale pour le taux d'encombrement de la piste. Les expériences confirment également l'efficacité accrue des NES à plusieurs billes par rapport aux NES à une seule bille. Alors qu'un NES à une bille dont la masse est de 8% de celle du prisme peut retarder la vitesse critique réduite de 68%, un NES à 2 ou 3 billes de masse équivalente retarde cette vitesse de 87%.  ABSTRACT: Flow-induced vibration (FIV) leads to critical design considerations for engineering structures. Galloping is a type of such vibration arising on power transmission lines, cables bundles and high-rising structures. The literature briefly explains the galloping mechanism of a square prism, then addresses a historical review on passive vibration absorbers and their applications in suppressing the vibration of various systems. Among these devices, nonlinear energy sinks (NESs) do not affect the characteristics of the primary system. In the current research, we introduce a purely nonlinear energy sink (NES) composed of a ball moving freely in a circular track to mitigate the galloping of a square prism. The ball is coupled to the prism vibration through a nonlinear dynamic interaction. Wind tunnel tests assess the NES impact on mitigating the galloping by comparing the prism responses with and without the NES. The ball-in-track NES (BIT-NES) successfully delayed the galloping occurrence, exhibiting different response modes: oscillatory, intermittent, and rotational. At low flow speeds, the oscillatory responseamode arises, in which both the ball and the prism oscillate with small amplitude. The intermittent regime then appears at higher flow speeds within a small range as a transition mode. At high flow speed, the ball oscillates with relatively high angular velocities in the rotational regime, resulting in a strong modulated response of the prism. The NES simple design allows changing the track dimensions by swapping parts to use a ball of various masses and sizes. Hence, we illustrate the effect of the main NES parameters: the ball mass, NES track radius, ball friction, and radial clearance between NES track walls and the rotating ball, on the prism amplitude and the ball dynamics. A proposed model, employing the measurements of the galloping force coefficient and the ball damping as inputs, simulates the dynamics of the square prism coupled with the BIT-NES and expects the system behaviour at high flow speeds beyond the limits of the experiments. Wind tunnel static experiments describe the galloping force coefficient Cy as a function of the prism angle of attack, while proposed free rotation tests define the ball damping coefficient cθ. The experiments provide a certain angular speed beyond which the ball damping highly rises. The damping variation is an advantage of the BIT-NES; less damping at low angular velocities helps the ball start rotation, while relatively large damping dissipates more energy at high speeds. The simulations exhibit the three response modes observed in the experiments. Besides, it predicts a fourth mode, the random regime, at high flow speeds out of the NES effective range. In this regime, the ball rotates, alternating in both directions with no damping effect on the prism amplitudes. Moreover, analytical estimations define the limit boundary of the oscillatory regime and the NES effective range. Modelling the primary mass as a parametric excitation for the NES provides prism amplitudes that coincide with the ball's stable oscillations, representing the transition boundary between oscillatory and intermittent regimes. A developed power flow analysis across the integrated prism-NES system explains the NES behaviour in the rotational regime and predicts the limit of its effective range. Our simulations agree with the analytical estimations and the experimental findings. Finally, we use multiple balls instead of a large one of equivalent mass to improve the suppression efficiency of the NES. Besides the effect of the collision between balls in absorbing energy, it interrupts the ball dynamics. Increasing the ball's number shifts the mass center and crowds the NES track. Testing various configurations of multi-ball NES of equivalent mass provides optimal value for the track crowdedness ratio. The experiments also approve the enhanced suppression efficiency of multi-ball NES compared to the single ball NES. Whereas a single ball NES with a mass 8% that of the prism can delay the critical reduced velocity by 68%, a 2 or 3-ball NES of equivalent mass delays this speed by 87%.


identifier: Hassen, N. (2021). Approximate Inference in Bayesian Neural Networks  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux de neurones profonds sont capables de résoudre de nombreux problèmes d'apprentissage automatique et aptes à atteindre des performances de pointe en raison de leur flexibilité, mais les modèles d'apprentissage profond sont difficiles à interpréter et souffrent d'un sur-ajustement statistique qui affecte leurs capacités de généralisation; en e˙et, ces derniers ont tendance à surestimer l'intervalle de confiance par rapport à leurs prédictions. Ceci peut être problématique pour les champs d'applications réels tels que les diagnostics médicaux ou les voitures autonomes. L'inférence bayésienne fournit des outils utiles pour s'attaquer à ces problèmes, mais cela a un coût, l'inférence bayésienne (exacte) pour les réseaux de neurones est dans la plupart des cas complexe dû à l'absence de forme analytique. L'apprentissage bayésien reste un bon choix pour concevoir des méthodes efficaces en fournissant une solution approximative. En effet, cette méthode combine inférence approximative et un cadre d'optimisation plus flexible. Cependant, l'efficacité des réseaux de neurones bayésiens est limitée à des distributions spécifiques et dans la majorité des cas la distribution a posteriori n'a pas de forme explicite. Dans ce mémoire, nous abordons ces problèmes en démystifiant la relation entre l'inférence approximative et les méthodes d'optimisation à l'aide de la méthode de Gauss-Newton généralisée. Les réseaux de neuronnes bayésiens affichent de bons résultats en combinant la méthode de Gauss-Newton généralisée avec l'approximation de Laplace et gaussienne. Les deux méthodes calculent une approximation gaussienne de la distribution a posteriori, mais on ne sait pas comment elles affectent le modèle probabiliste sous-jacent. Les deux méthodes se basent sur un traitement rigoureux du modèle probabiliste sous-jacent mais l'interprétation de leurs résultats est moins claire. Nous cherchons à être en mesure de distinguer lorsqu'un modèle particulier échoue et la capacité de quantifier son incertitude. Nous avons constaté que la méthode de Gauss-Newton généralisée simplifie le modèle probabiliste sous-jacent et fournit un degré d'incertitude. En particulier, l'approximation de Laplace et l'approximation gaussienne fournissent une distribution a posteriori plus flexible qui peut être appliquée lorsque l'échantillon de données est assez grand. Dans ce travail, nous présentons une méthode d'inférence qui relie les deux approches. En fait, l'approximation gaussienne est considérée comme un concurrent direct de l'approximation de Laplace, fournit une inférence dans l'espace de fonction tandis que Laplace manifeste une inférence dans l'espace de paramètres. La combinaison de l'une ou l'autre à la méthode de Gauss-Newton doit être considérée comme une linéarisation locale du réseau de neurones bayésien. Ainsi, on obtient un modèle linéaire généralisé (GLM). Ce cadre permet de résoudre les problèmes courants de sous-ajustement de l'approximation de Laplace. Plus intéressant même, nous sommes capables de faire la conversion d'un modèle GLM à un processus gaussien; ceci permet de faire le lien entre l'inférence dans l'espace de paramètres et l'inférence dans l'espace de fonctions dans le cadre de réseaux de neurones bayésiens.  ABSTRACT: Deep neural networks provide ways to tackle many real-world machine learning problems, achieving state-of-the-art performance due to their flexibility. However, deep learning models can be hard to interpret, sometimes suffer from overfitting, which affects their generalization capabilities, and tend to overstate the confidence of their predictions. This can be prob-lematic for real-world applications such as medical diagnostics or self-driving cars. Bayesian pragmatism provides useful tools to tackle these issues, but it comes at a cost: the exact Bayesian inference appropriate to a neural network is often intractable. Bayesian deep learning remains a good choice to design efficient methods by providing an approximate solution; combining as it does approximate inference and a scalable optimization framework. However, the practical effectiveness of Bayesian neural networks is limited by the need to specify meaningful prior distributions, and by the intractability of posterior inference. In this thesis, we address these issues by attempting to demystify the relationship between approximate inference and optimization approaches through the generalized Gauss–Newton method. Bayesian deep learning yields good results, combining Gauss–Newton with Laplace and Gaussian variational approximation. Both methods compute a Gaussian approximation to the posterior; however, it remains unclear how these methods affect the underlying probabilistic model and the posterior approximation. Both methods allow a rigorous analysis of how a particular model fails and the ability to quantify its uncertainty. We found that the generalized Gauss–Newton method simplifies the underlying probabilistic model and provides a meaningful uncertainty quantification. In particular, the Laplace and Gaussian variational approximations provide a tractable and scalable approach to posterior approximation, applicable to large datasets. In this work, we use the Bayesian approach to infer neural networks based on two approximate inference techniques. In fact, the Gaussian variational approximation is considered as a direct competitor to Laplace approximation, providing function-space inference while Laplace performs weight-space inference. The combination of either method with Gauss–Newton should be understood as a local linearization of the Bayesian neural net-work, which becomes a generalized linear model (GLM). This approach enables us to resolve common underfitting problems with the Laplace approximation; the conversion to Gaussian processes enables inference schemes for Bayesian neural networks in function space. Key words: Bayesian optimization, deep learning, variational inference, Laplace approximation, neural networks.


identifier: Astanehparast, E. (2021). Ontologies for Insider Surveillance Indicators Rendering  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, les attaques croissantes de cybersécurité menacent les organisations et même les gouvernements. Au fil du temps, les chercheurs ont découvert que les menaces internes étaient plus sophistiquées que celles externes, car il y avait des privilèges plus élevés et moins d'indicateurs de compromission (IoC) à enquêter. Un autre défi important est le grand nombre d'IoC de menaces internes générés quotidiennement qui doivent être étudiés par des experts humains. Des chercheurs universitaires et des experts industriels dans le domaine ont collaboré pour proposer des solutions d'atténuation pour la prévention, la détection et l'investigation des menaces internes, même si un nombre notable de menaces internes est encore périodiquement signalé. Parmi une variété de solutions développées pour améliorer la sécurité contre les attaquants internes, les mascarades et les acteurs non intentionnels, la modélisation ontologique peut apporter des avantages en fournissant des requêtes logiques et des relations sémantiques. De plus, les bases de données ontologiques fournissent un cadre conceptuel cohérent et une structure de données commune partagée au sein de l'organisation ou même à des niveaux supérieurs.  ABSTRACT: Nowadays, the growing cyber-security attacks threat organizations and even governments. Through time, researchers found insider threats more sophisticated than outsider ones since there are higher privileges and less Indicator of Compromise (IoC)s to be investigated. One other significant challenge is the large number of insider IoCs generated per day that needs to be investigated by human experts. Academic researchers and industrial experts in the field have collaborated to propose mitigation solutions for insider threat prevention, detection and investigation while there is still a noticeable number of insider threats reported every so often. Among a variety of solutions developed for improving security against insider traitors, mas- queraders and unintentional perpetrators, ontological modeling can bring advantages by providing logic based queries and semantic relationships. Moreover, ontological databases provide a consistent conceptual framework and common data structure shared within the organization or even in higher levels.


identifier: Ton, K. (2021). Using a Diversity Criterion to Select Training Sets for Machine Learning Models  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un modèle prédictif peut être utile seulement dans la mesure où ses prédictions reflètent la réalité. La performance d'un modèle d'apprentissage machine dépend beaucoup de l'in- formation donnée lors de son entraînement puisqu'il se base sur cette information pour se représenter la réalité. Les méthodes de sélection de données sont des méthodes utilisées pour préparer les ensembles de données et avoir de meilleurs modèles. Elles ont comme but de réduire le nombre de données à montrer au modèle d'apprentissage machine tout en gardant la performance générale du modèle. Elles cherchent les instances aberrantes ou redondantes et les enlèvent. Ce mémoire est un travail exploratoire sur l'utilisation de la diversité comme critère de sélection pour une méthode de sélection de données. Nous proposons une nouvelle méthode de sélection de données de type filter nommé MaxDivSec. Partant avec l'entièreté de l'ensemble de données, MaxDivSec résout des Maximun Diversity Problem (MDP) pour réduire d'un certain pourcentage l'ensemble d'entraînement. MaxDivSec est basée sur l'intuition que les points formant un sous-ensemble avec le plus de diversité à moins de chance d'être dans la même classe. Elle résout un Maximun Diversity Problem dans chaque classe de l'ensemble de données et enlève la solution de l'ensemble d'entraînement. La méthode cherche à réduire l'ensemble de données. Nous testons notre méthode avec deux méthodes de références : une sélection aléatoire et une sélection avec la méthode mahalanobis de détection de données aberrantes. La performance avec un classificateur de type K-nearest neighbours de chacune des méthodes est analysée avec un test Wilcoxon signed-rank. Ce test permet de déterminer si les résultats obtenus sont statistiquement significatifs et différents entre eux. Nos résultats montrent que MaxDivSec performe mieux que la sélection aléatoire et peut donc être un critère pour sélectionner des instances pour un modèle. Nous avons présenté nos résultats dans un article soumis en juillet 2021 dans le journal SN Operations Research Forum.  ABSTRACT: Providing the right data to a machine learning model is an important step to ensure its performance. Non-compliant training data instances may lead to wrong predictions yielding models that cannot be used in production. Instance or prototype selection methods are often used to curate training sets thus leading to more reliable and efficient models. Those methods want to reduce the training set's size while preserving the classifier's performance. They operate by removing undesirable instances raised by noise or redundancy. In this thesis, we investigate if diversity is a helpful criterion for choosing which instances to remove from a given training set. We propose a new filtering method, called MaxDivSec, that solves a Maximun Diversity Problem as one of its computing steps. Our method starts with the entire training set and then reduces the training by a certain percentage. The intuition behind the method is that the most diverse points in a class have less prob- ability to belong together. We test our hypothesis against a random selection method and a popular outlier selection method, using benchmark datasets with different data charac- teristics. Our computational experiments demonstrate that selection by diversity achieves better classification performance than random selection and can hence be considered as an alternative data selection criterion for effective model training. Those results are shown in an article submitted for the SN Operations Research Forum journal in July 2021.


identifier: Kaemo, M. (2021). Construction of a Statistical Framework Using Copula Modeling to Assess Sea Level Rise in New-Caledonia, Pacific Ocean  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les mers ont considérablement influencé les activités socio-économiques dans le monde entier. Bien que le niveau de la mer ait varié naturellement au cours de l'histoire, on a observé, au cours des dernières décennies, une élévation significative due aux changements climatiques provoqués par l'homme. Cette élévation du niveau de la mer pourrait causer une série de dommages dans les régions côtières, allant de l'érosion et de la salinisation des sols à la contamination des eaux souterraines et aux inondations. En particulier en Nouvelle-Calédonie, un petit archipel de moins de 300 000 habitants situé à l'est de l'Australie, l'élévation du niveau de la mer peut éroder et faire reculer les rivages, menaçant ainsi les moyens de subsistance des populations locales. Par conséquent, une évaluation correcte de l'élévation du niveau de la mer est nécessaire pour proposer des stratégies d'adaptation efficaces afin de protéger les biens et l'environnement côtiers. Diverses méthodes ont été développées dans la littérature pour simuler cette variable. Néanmoins, malgré l'influence de la température sur l'élévation du niveau de la mer, leur dépendance n'a pas été entièrement prise en compte dans les modèles disponibles. Dans cette étude, nous avons proposé une méthode utilisant des copules pour simuler l'évolution du niveau de la mer en fonction de la température. Comme étape clé pour la réalisation de ce projet, deux logiciels avec Interface Graphique Utilisateur en MATLAB ont été développés pour les analyses statistiques des données. Le logiciel pour les analyses à une variable comprend une série de codes permettant de quantifier l'autocorrélation, la variabilité intra et interannuelle, les tendances via des méthodes paramétriques et non paramétriques, les points de rupture dans les séries et de réaliser des analyses de fréquence en utilisant une large gamme de distributions.  ABSTRACT: Seas have significantly influenced socio-economic activities across the globe. Although sea levels have been changed naturally throughout the history, over the past few decades a significant sea level rise has been observed due to human-induced changes in climate. Such increases in sea level could cause series of damages in coastal regions ranging from soil erosion and salinization to groundwater contamination and flooding. Particularly in New Caledonia, a small archipelago of less than 300,000 inhabitants located in eastern Australia, sea level rise can retreat and nibble shorelines and threaten livelihood of local people. Therefore, a proper assessment of sea level rise is required to propose effective adaptation strategies to protect coastal assets and environment. Various methods have been developed in the literature to simulate this variable. Nevertheless, despite the influence of temperature on sea level rise, their dependence have not been fully taken into account in the available models. In this study, we proposed a framework using copulas for simulating the evolution of sea level as a function of temperature. As a key step to fulfill this project, two software packages with Graphical User Interface in MATLAB were developed for statistical analyses of data. The software for univariate analyses includes a series of codes for quantifying autocorrelation, intra and inter-annual variability, trends via parametric and non-parametric methods, break points in series and performing frequency analysis using a wide range of distributions. In the context of a bivariate analysis, the application of statistical copulas allows obtaining several information related to modeling dependencies and understanding compound impact of incidents and risks of failure.


identifier: Ben Slimene, M. (2021). Méthodologie de regroupement interprétable des profils de dégradation de systèmes en exploitation  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La modélisation de la dégradation lente des actifs en exploitation à partir des séries chronologiques d'observations est une problématique complexe. Les approches de développement de ces modèles peuvent varier selon la structure de la base de données disponibles ainsi que la nature des systèmes étudiés. Dans le présent travail, nous proposons une méthodologie qui permet d'extraire et d'interpréter les profils de dégradation à partir de deux différents types de base de séries chronologique : Les séquences courtes, bruitées, de différentes longueurs et fréquences d'indicateurs clé de performance; et des signaux cycliques générées par les capteurs installés sur les composantes des actifs lors de leur fonctionnement.   La méthodologie proposée est composée de trois phases. La première phase, les profils de dégradation sont extraits en regroupant les séries de comportement similaire. Pour ce faire, l'algorithme de clustering DBSCAN couplé avec une mesure de similarité de pentes pour les séries d'indicateur clé de performance (ICP) et la mesure de dissimilarité Dynamic Time Warping DTW pour les signaux cycliques est appliqué. Afin de renforcer l'évaluation des partitions basée principalement sur le score de silhouette, deux versions modifiées des indices Davies-Bouldin et C pour interpréter des regroupements basés sur une logique de similarité sont développées. Dans la deuxième phase de la méthodologie, deux différentes variantes de l'algorithme de forêts aléatoires à prédire les profils de dégradation identifié précédemment sont développées. Finalement, la dernière phase concerne l'interprétation des modèles ajustés. Pour les séries de ICP, la contribution des facteurs conceptuels, climatiques et d'exploitation dans l'extraction des profils de détérioration en évaluant l'importance de ces variables dans l'entrainement du classificateur forêts aléatoires est réalisée. Ce dernier sera utilisé pour prédire pas à pas l'ICP étudié. En ce qui concerne les signaux cycliques, un score d'importance qui permet de mesurer la contribution de chaque dimension des signaux dans l'identification des profils de dégradation est déterminé. La liaison entre les clusters et les ICPs des cycles est élaborée à l'aide de règles générées par la technique d'arbre de décision. La validation de la méthodologie sera supportée par deux études de cas qui traitent les deux structures de base de données abordées dans ce travail.  ABSTRACT: Modeling the slow degradation of operating assets based on time series observations is a complex issue. Approaches to developing these models can vary depending on the structure of the available database as well as the nature of the systems being studied. In the present work, we propose a methodology to extract and interpret degradation profiles from two different types of time series databases: short, noisy sequences of different lengths and frequencies of key performance indicators; and cyclic signals generated by sensors installed on asset components during their operation. The proposed methodology is composed of three phases. In the first phase, degradation profiles are extracted by clustering series with similar behavior. For this purpose, the DBSCAN clustering algorithm coupled with a slope similarity measure for KPI series and the Dynamic Time Warping DTW dissimilarity measure for cyclic signals is applied. In order to strengthen the evaluation of partitions based mainly on the silhouette score, two modified versions of the Davies-Bouldin and C-indices for interpreting clustering based on similarity logic are developed. In the second phase of the methodology, two different variants of the random forest algorithm to predict the previously identified degradation profiles are developed. Finally, the last phase concerns the interpretation of the fitted models. For the KPI series, the contribution of conceptual, climatic, and operational factors in the extraction of deterioration profiles by evaluating the importance of these variables in the training of the random forest classifier is performed. The latter will be used to perform a stepwise prediction of the studied KPI. For the cyclic signals, an importance score that measures the contribution of each signal dimension in the identification of degradation profiles is determined. The liaison between the clusters and the cycle KPIs is elaborated using rules generated by the decision tree technique. The validation of the methodology will be supported by two case studies that address the two database structures addressed in this work.


identifier: Zheng, D. (2021). Planar Functional Leaky-Wave Antenna Engineering : Concepts, Structures, and Techniques for Radar Sensing Systems  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les antennes à ondes de fuite (LWA) sont des structures guidées particulières caractérisées par la propagation des ondes et le rayonnement. Les LWAs ont attiré beaucoup d'attention depuis ses premières créations dans les années 1940 grâce aux nombreuses caractéristiques attrayantes telles qu'une directivité élevée, un faisceau directif étroit, un mécanisme d'alimentation simple, une configuration simple et une capacité particulière de balayage de faisceau fréquentiel (ou cartographie espace-fréquence). En plus, grâce à ses capacités de balayage spatial en fréquence, les LWAs ont été exploités par la partie académique ainsi que la partie industrielle dans plusieurs applications, notamment les applications de radar. De nos jours, les LWAs présentant multiples fonctionnalités/caractéristiques électriques ainsi que les applications de LWAs au niveau de systèmes sont à la mode. Dans ce contexte, cette thèse propose plusieurs nouveaux techniques et concepts pour développer des LWAs avec des fonctionnalités/comportements électriques élégants. En outre, cette thèse présente également une solution frontale de LWA à large bande pour des systèmes radar.Concernant les fonctionnalités/comportements électriques des LWAs, chapitre 3 est dédié à une LWA en SIW basé sur le mode TE20 à fente longitudinale qui est caractérisée par les faibles niveaux de lobe secondaire et de polarisation croisée. Dans ce travail, une paire de longues fentes sinueuses sont gravées symétriquement sur le bord supérieur d'un SIW en mode TE20. Des formes sinueuses visent à réduire le niveau de lobe secondaire, tandis que la symétrie impaire du mode TE20 et les longues fentes symétriques contribuent à diminuer la polarisation croisée. Dans le chapitre 4, les effets de charge des rayonnements discontinuités (RDs) ont été explorés pour augmenter la dispersion ou le taux de balayage des LWAs. Basé sur cela, une LWA à fentes transversales quasi-uniforme en SIW avec la capabilité de balayage rapide et son réseau hexagonal ont été proposés et étudiés pour des applications à ondes millimétriques. Le mécanisme du balayage rapide est basé sur les cellules unitaires à courte période et la longue fente transversale avec une réactance inductive forte. Dans le chapitre 5, le concept de filtre passe-bande radiatif (RBPF) est proposé et étudié pour développer une classe de LWA filtrante multifonctionnel qui présente simultanément un balayage de faisceau rapide en fréquence et une caractéristique sélective en fréquence.  ABSTRACT: Leaky-wave antennas (LWAs), as a special kind of guiding structures characterized by both wave guidance and wave radiation, have received much attention since the inception of the first LWA in 1940s, thanks to their many appealing features such as high directivity, narrow directive beam, easy feeding mechanism, simple configuration, and particular frequency-driven beam-scanning (or space-frequency mapping) capability. LWAs have been in the spotlight of both academics and industries since their unique frequency-scanning can be exploited for a wide variety of practical applications among which the radar sensing system is of particular importance to our practical world. The development of various kinds of LWAs featuring multifarious functionalities/electrical characteristics and the exploration of possible system-level applications using LWAs constitute such two research mainstreams in the recent development of leaky-wave R&D communities, which presents a prevailing trend in our RF/microwave realm. Under this context, this thesis proposes and investigates several novel concepts and techniques to design and decorate LWAs with elegant functionalities and electrical behaviors. Besides, this thesis also furnishes a feasible antenna front-end solution enabling LWAs to be used for wideband operation in radar sensing systems.  When it comes to the functionalities and electrical behaviors of LWAs that the thesis mainly focuses on, Chapter 3 is dedicated to a longitudinally slotted TE20 mode-driven SIW (substrate-integrated waveguide) LWA characterized simultaneously by low side-lobe and low cross-polarization behaviors. In this work, a pair of meandering long slots are etched symmetrically on the top broadside of a TE20-mode SIW. Specially designed meandering shapes imposed on the long slots are set to realize low side-lobe properties, whereas the odd-symmetry of TE20 mode along with the even-symmetrically etched long slots results in an effective radiation particularly possessing low cross-polarization. In Chapter 4, loading effects of radiating discontinuities (RDs) have been explored to increase the dispersion or beam-scanning rate of LWAs, based on which a quasi-uniform transversely slotted SIW LWA featuring rapid beam-scanning and its hexagonal array have been proposed and investigated for millimeter-wave applications. The design concept or technicalities of the rapid beam-scanning property is simply based on the use of a short period of unit-cells and a long transverse slot with a sharp inductive reactance.


identifier: Darvish, M. (2021). Development of Antimicrobial Films for Food Packaging Using Melt Compounding  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, la sécurité microbienne et la préservation de la qualité des aliments sont des préoccupations majeures. L'emballage antimicrobien est l'une de ces technologies prometteuses, qui réduit, inhibe ou retarde la croissance des micro-organismes pathogènes et d'altération et prolonge la durée de conservation des produits alimentaires. Divers composés antimicrobiens peuvent être directement ajoutés à la matrice polymère pour obtenir un emballage antimicrobien présentant l'activité biocide souhaitée ; toutefois, l'incorporation directe des agents antimicrobiens peut entraîner l'évaporation des agents antimicrobiens incorporés et leur migration vers les aliments. Les nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnONP), l'huile essentielle de limonène (LEO), et l'arginate d'éthyle lauroyle (LAE) qui ont été approuvés comme "généralement reconnu comme un matériau sûr" (GRAS) pour les applications alimentaires aux États-Unis par la FDA (Food and Drug Administration) sont considérés comme l'un des meilleurs candidats pour les systèmes d'emballage alimentaire actif. Dans cette thèse, la production de films antimicrobiens à base de polyéthylène (PE) traités avec trois classes différentes d'agents antimicrobiens susmentionnés a été étudiée. Le projet de recherche a été mené en trois phases.  ABSTRACT: Nowadays ensuring microbial safety and extent in preserving the quality of food are major growing concerns. Antimicrobial packaging is one such hopeful technology, which reduces, inhibits, or retard the growth of microorganisms extends the shelf life in food products. A variety of antimicrobial compounds can be directly added into the films to achieve antimicrobial packaging with a desired biocidal activity; however, direct incorporating the antimicrobial agents may result in the evaporation of incorporated antimicrobial agents and migration toward the foods. Zinc oxide nanoparticles (ZnONPs), Limonene essential oil (LEO), and ethyl lauroyl arginate (LAE) that were approved as “generally recognized as safe” (GRAS) for food applications within the United States by Food and Drug Administration (FDA) is considered as one of the best candidates for packaging systems with antimicrobial properties. In this dissertation, the production of polyethylene (PE)-based antimicrobial films treated with three different classes of aforementioned antimicrobial agents was studied. This dissertation was conducted in three stages.


identifier: Nguyen, N. H. (2021). Air-Filled Substrate Integrated Waveguide Components : Design Techniques and Integration Technologies  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis une vingtaine d'années, le guide d'ondes intégré au substrat (SIW en anglais) a démontré ses nombreux avantages pour le développement de circuits et systèmes intégrés à hautes performances dans les bandes RF, micro ondes, et millimétriques. Le SIW hérite des caractéristiques du guide d'ondes métallique et de la ligne micro ruban telles qu'un faible coût, une taille compacte, un blindage intrinsèque, une facilité d'intégration, et une bonne dissipation thermique. Afin d'améliorer les performances du SIW, le SIW creux (AFSIW en anglais) a été introduit en 2014. En utilisant de l'air pour transmettre le signal électromagnétique, l'AFSIW réduit significativement les pertes diélectriques. Grâce à cela, la capacité de tenue en puissance ainsi que le facteur de qualité d'une structure AFSIW sont augmentés. Depuis son introduction, de nombreux travaux ont été investis pour développer cette nouvelle technologie. Cependant, la plupart des recherches se sont concentrées uniquement sur la couche centrale pour réaliser la conception des fonctions hyperfréquences, les couches du dessus et du dessous n'étant utilisées que pour fermer la structure. Hors, l'AFSIW étant une structure multicouche, il reste plusieurs degrés de liberté à exploiter pour accroître la densité d'intégration et pour mettre à profit les couches du dessus et du dessous. Dans le cadre de cette thèse, la couche centrale ainsi que les couches du dessus et du dessous sont exploitées et utilisées afin de développer de nouvelles fonctions hyperfréquences. Concernant le degré de liberté offert par la couche creuse au centre, une structure alternative que nous avons nommée AFSIW à barreau diélectrique (SAFISW en anglais) a été introduite dans le cadre de cette thèse. Elle offre un bon compromis entre le SIW traditionnel et l'AFSIW en termes de pertes et d'empreinte, mais avec une bande passante monomode plus large. Basés sur le SAFSIW, de nombreux composants ont été développés et prototypés comme le SAFSIW à demi mode, des déphaseurs compensés à large bande, et des antennes. Ce type de déphaseurs et d'antennes ont été ensuite conjointement intégrés ensemble pour concevoir un réseau d'antennes mono-pulse. Concernant le degré de liberté offert par la structure multicouche, une nouvelle structure multiport appelée jonction T magique aux ports delta équilibrés (balanced delta port magic tee en anglais) a été introduite avec des analyses théoriques. Cette structure donne une capacité de tenue en puissance plus haute que celle de la jonction T magique traditionnelle.  ABSTRACT: Over the past twenty years, the substrate integrated waveguide (SIW) has shown its irreplaceable position in the development of high performance RF, microwave, and millimeter wave integrated circuits and systems. Inheriting the good characteristics of the metallic waveguide and the microstrip line, the SIW features low cost, compact, self shielded, easy to integrate, and has good thermal dissipation. To improve further the performance of the conventional SIW, multilayer air filled SIW (AFSIW) was introduced in 2014 at the expense of a larger footprint. By using channelized air region to transmit the electromagnetic power, the AFSIW structure reduces the dielectric loss significantly, especially at millimeter wave frequencies, thus increasing the average power handling capability as well as the quality factor. Since then, many efforts have been invested to develop the high performance AFSIW technological platform. However, most of the research works were focused on the middle layer to develop the functionalities. The top and bottom layers were mainly used to enclose the AFSIW structure. Nevertheless, the AFSIW is a multilayer structure and there are still many degrees of freedom to exploit so to further increase the integration density and to benefit from the multilayer PCB process. In this thesis, the degree of freedom in connection with the empty air filled space as well as the multilayer aspect, is explored and used. Regarding the freedom obtained from the empty space, an alternative guided wave structure named slab AFISW (SAFSIW) is introduced and demonstrated as a compromise between the conventional SIW and the upgraded AFSIW structures in terms of loss and footprint, but with a larger mono mode bandwidth. Then, numerous components and structures are developed and prototyped based on the SAFSIW such as half-mode SAFSIW, broadband compensating phase shifter, and antenna. The compensating phase shifter and the antenna are then integrated into a mono pulse antenna array. Regarding the freedom obtained from the multilayer aspect of the technology, a new multiport structure called balanced delta port magic tee is presented with theoretical analysis. This proposed structure enhances the power handling capability compared to the conventional magic tee and is implementable in a multilayer AFSIW structure. Based on the balanced delta port magic tee, several isolated power dividers/combiners have been investigated and demonstrated including the resistive based and the absorptive based solutions.


identifier: Souaga, J. J. (2021). Simulation numérique des vibrations de faisceaux de tubes soumis à un écoulement transverse : cas d'un écoulement de jet  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente la mise en place d'une étude numérique permettant de simuler l'écou- lement d'un jet transverse dans un faisceau de tubes en configuration carrée et évaluer son effet sur la stabilité des tubes. Les simulations sont effectuées sur le code CADYF (Calcul et Analyse de Dynamique des Fluides). La configuration statique en deux dimensions (2D) est tout abord étudiée pour un faisceau de tubes soumis à un écoulement de jet transverse afin de déterminer les coefficients de portance et de traînée. Les coefficients de dérivées de stabilité de la portance et de la traînée sont également obtenus. La détermination de ces différents coefficients permet de mettre en place le modèle quasi-stationnaire pour un faisceau de tubes soumis à un écoulement de jet transverse et de déterminer la vitesse critique d'instabilité fluidélastique. L'interaction fluide-structure est étudiée pour le faisceau de tubes soumis à un écoulement transverse uniforme puis à un écoulement de jet transverse. Pour le faisceau de tubes sou- mis à l'écoulement transverse uniforme, le paramètre masse-amortissement prend différentes valeurs ce qui permet de déterminer plusieurs vitesses critiques d'instabilité fluidélastique. Avec cette même approche la vitesse critique d'instabilité fluidélastique est déterminée pour un paramètre de masse-amortissement donné dans le cas l'écoulement de jet transverse. Pour le faisceau de tubes soumis à l'écoulement de jet transverse, une étude d'influence de certains paramètres comme l'excentricité du jet, le diamètre du jet ont été menés. À l'issue de ces études les vitesses critiques d'instabilité fluidélastique sont déterminées puis représentées sur la carte de stabilité. Dans toutes les études, les géométries sont en 2D. Le faisceau de tubes comprend 36 cylindres en configuration carrée dont le rapport pas sur diamètre du tube (P/D) est égal à 1.32. Ces études ont permis de déterminer les vitesses critiques d'instabilité fluidélastique dans un faisceau de tubes en configuration carrée soumis à un écoulement transverse (uniforme et jet) puis de les représenter sur la carte de stabilité.  ABSTRACT: This thesis presents the implementation of a numerical study to simulate the transverse jet flow in a tube bundle in a square configuration and evaluate its effect on the stability of the tubes. Simulations are performed with the CADYF code (Computation and Analysis of Fluid Dynamics). The static configuration in two dimensions (2D) is first studied for a tube bundle subjected to a transverse jet flow in order to determine the lift and drag coefficients. The coefficients of stability derivatives of lift and drag are also obtained. The determination of these different coefficients allows to set up the quasi-steady model for a tube bundle subjected to a transverse jet flow and to determine the critical velocity of fluidelastic instability. Fluid-structure interactions are studied for the tube bundle subjected to a uniform transverse flow and then to a transverse jet flow. For the tubes bundle subjected to uniform transverse flow, the mass-damping parameter takes different values which allows to determine several critical velocities of fluidelastic instability. With this same approach the critical velocity of fluidelastic instability is determined for a given mass-damping parameter in the case of transverse jet flow. For the tube bundle subjected to the transverse jet flow, a study of the influence of some parameters such as the eccentricity of the jet, the diameter of the jet were conducted. At the end of these studies the critical velocities of fluidelastic instability are determined and then represented on the stability map. In all studies, the geometries are in 2D. The tube bundle consists of 36 cylinders in square configuration with a pitch to tube diameter ratio (P/D) equal to 1.32. These studies made it possible to determine the critical velocities of fluidelastic instability in a tube bundle in square configuration subjected to a transverse flow (uniform and jet) then to represent them on the stability map.


identifier: Hammoud, A. (2021). Towards an Implantable Biosensor for Continuous Detection and Quantification of Antiseizure Medications in Blood  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'épilepsie est l'une des maladies neurologiques les plus courantes. C'est une condition chronique caractérisée par des crises récurrentes. La première ligne de traitement de l'épilepsie passe par la prescription de médicaments antiépileptiques qui doivent être pris quotidiennement pour prévenir d'autres crises et pour une durée prolongée. Pour diverses raisons (ex. déterminer si la concentration est dans les marges thérapeutiques et ajuster la posologie en conséquence, vérifier l'adhérence au traitement etc…), il est nécessaire de procéder à des dosages sériques.    La surveillance thérapeutique précise des médicaments antiépileptiques dans le sang est actuellement limitée aux grands laboratoires et nécessite l'expertise de cliniciens qualifiés. La chromatographie liquide à haute performance est la principale technique qui permet une détection sélective et sensible du dosage de médicaments antiépileptiques. Cependant, elle est complexe, nécessite une préparation d'échantillon et ne peut pas être rendue portable. D'autre part, les méthodes miniatures existantes reposent souvent sur des techniques électrochimiques qui, malgré leur bonne sensibilité, manquent de sélectivité. D'où le besoin d'un biocapteur portable, miniature, facile à utiliser, sélectif et sensible. Un biocapteur potentiellement implantable permettrait une surveillance continue en temps réel et fournirait aux cliniciens des informations critiques qui pourraient aider à un traitement personnalisé de l'épilepsie. Dans une première approche, nous avons émis l'hypothèse que grâce à l'analyse de l'impédance électrique de la carbamazépine (CBZ), un médicament antiépileptique, nous pourrions être en mesure d'enregistrer une réponse distincte et de quantifier sélectivement les concentrations de CBZ. Par conséquent, le premier objectif était de construire un capteur miniature de spectroscopie d'impédance électrique CMOS et de mesurer la réponse à la présence de CBZ à l'aide d'électrodes en or. Les résultats in vitro ont montré une relation linéaire entre les concentrations de CBZ et l'impédance électrique à la surface de l'électrode. Cependant, l'enregistrement d'une réponse distincte des molécules de CBZ, basée uniquement sur la spectroscopie d'impédance électrique, s'est avéré un objectif fastidieux. Dans une deuxième approche, notre équipe a émis l'hypothèse suivante: la capture des molécules de CBZ à la surface de l'électrode isolera la réponse de la CBZ et donnera une mesure distincte de sa concentration en solution. Par conséquent, nous avons recherché des méthodes possibles pour permettre la liaison sélective entre la CBZ et la surface de l'électrode.  ABSTRACT: Epilepsy is one of the most common neurological diseases. It is a chronic condition characterized by recurrent seizures. The first line of treatment of epilepsy is through the prescription of antiseizure medications (ASMs). Such medications need to be taken regularly on a daily basis and for an extended period to prevent the occurrence of seizures. For various reasons (ex. determining if drug concentrations are within the therapeutic range to guide dose adjustments, assessing treatment adherence etc…), blood levels are sometimes necessary. Monitoring the levels of ASMs in patients' blood is referred to as therapeutic drug monitoring (TDM).  Accurate TDM is currently limited to large laboratories and require the expertise of trained clinicians. High-performance liquid chromatography (HPLC) aided with spectroscopy is the main technique which yields both selective and sensitive ASM level detection.  However, it is complex, requires sample preparation, and cannot be rendered portable. On the other hand, existing miniaturized methods often rely on electrochemical techniques but despite their good sensitivity, simplicity, and speed, they lack selectivity. Therefore, constructing a state-of-the art miniature biosensor necessitates the combination of the selectivity and sensitivity offered by HPLC-based biosensors with the simplicity, speed and portability offered by electrochemical-based biosensors. Such a potentially implantable biosensor would enable continuous real-time monitoring and provide clinicians critical information which might aid in personalizing the treatment of epileptic patients. As a first approach, we hypothesized that through the analysis of the electrical impedance of carbamazepine (CBZ), a common ASM, we may be able to record a distinct response and selectively quantify CBZ concentrations. Therefore, the first objective was to construct a miniaturized CMOS electrical impedance spectroscopy (EIS) sensor and measure the response of CBZ using gold electrodes. In vitro results showed a linear relationship between CBZ concentrations and electrical impedance at the electrode's surface. However, recording a distinct response from CBZ molecules based solely on EIS proved a tedious and maybe risky objective. As a second approach, our team hypothesized that capturing CBZ molecules at the electrode's surface would isolate CBZ's response and yield measurement distinct to its concentration in solution.


identifier: Ousoukhman, H. (2021). Integrated Modeling of Short-Term Flood Forecasting in the Ottawa River  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les inondations sont considérées comme l'un des risques naturels les plus dangereux au monde. Plusieurs pays souffrent des conséquences néfastes des inondations. Au Canada, plusieurs provinces ont subi des inondations au cours du siècle dernier. Par exemple, la rivière des Outaouais a été confrontée à de nombreuses inondations comme en 2017 et 2019. La population d'Ottawa continue à augmenter d'une année à l'autre. C'est pour cela que nous avons choisi la rivière des Outaouais comme étude de cas pour ce projet dans le but de protéger la société contre les risques causés par les inondations. Les pays adoptent plusieurs solutions basées sur différentes méthodes afin de minimiser les dommages causés par les crues. La plupart des scientifiques s'accordent que la prévision des crues est la meilleure façon de limiter les conséquences des crues. Les systèmes de prévision des crues sont indispensables dans les pays fréquemment confrontés à des crues. Ils visent à fournir un long délai d'exécution et à fournir aux autorités et aux décideurs des informations suffisantes. Par conséquent, ils auront suffisamment de temps pour prendre les mesures adéquates pour sauver la vie de la population et limiter les catastrophes économiques dues aux inondations.  ABSTRACT: Floods are one of the most catastrophic natural disasters in Canada and around the world that can cause loss of life and damages to properties and infrastructures. Saguenay flood (1996), southern Alberta flood (2013), and Ottawa floods (2017, 2019), are a few examples of Canadian floods with tremendous socio-economic impacts. Flood forecasting and predicting its characteristics (e.g., its magnitude and extent) has an important role in preventing and mitigating such flood impacts. Particularly, short-term forecasting is crucial for early warning systems and emergency response to floods. This study presents an integrated hydraulic-hydrologic modeling system for flood prediction. In this system, the Delft3D two-dimensional hydrodynamic model is connected with a HEC-HMS hydrologic model and observation data to provide an automatic exchange of data and results. Delft3D and HEC-HMS were chosen for this study because they were widely used and provided good results. In addition, they were applied in several flood forecasting studies. The prediction weather data and watershed characteristics provide input to the hydrological model to predict streamflow conditions, which are then automatically fed into the hydrodynamic model. The hydrodynamic model simulates the flood characteristics such as water level, 2D depth-averaged velocity field, and flood extent.


identifier: Awad, M. (2021). An Immersed Boundary Method Approach Using Hierarchical and Overlapping Grids for Unsteady Aerodynamics  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La simulation numérique d'écoulements compressibles autours d'objets mobiles comprend de nombreuses applications, comme la séparation de magasins à grande vitesse, le suivi de débris, les jets à un nombre de Mach élevé, et l'écoulement à l'intérieur des disjoncteurs haute-tension. La modélisation numérique de l'ensemble de ces applications se heurte principalement à certains défis : les complexités géométriques, l'écoulement compressible à haute vitesse, et de la prise en compte du mouvement des objets. A ce sujet, cette recherche vise à relever ces défis en développant un algorithme pour simuler les écoulements compressibles sur des géométries complexes en mouvement relatif. Ce travail présente le développement d'un code numérique basé sur l'intégration de la méthode des frontières immergées (Immersed Boundary Method, IBM) avec des maillages superposés (Overset Grid) hiérarchiques pour simuler des problèmes d'écoulement compressible non visqueux. L'approche proposée réduit la complexité de la simulation numérique par rapport aux approches conventionnelles avec des maillages ajustés aux frontières. La méthode des frontières immergées choisie est la méthodologie (Sharp Interface, SI), où la géométrie est représentée avec précision en fonction de la résolution de la grille Eulérienne. Cette méthode est adaptée pour représenter des géométries rigides. La résolution de la grille est contrôlée par un raffinement local basé sur l'approche hiérarchique linéaire. Les quadtrees linéaires sont une structure de données efficace pour représenter les grilles hiérarchiques pour une représentation précise de géométries complexes avec un faible coût de traitement. Des contrôles de grille supplémentaires sont présentés, en tant que préadaptation du maillage, et pour adapter localement le domaine de calcul aux variations physiques auparavant étudiées. Une approche de marquage robuste est présentée, basée sur le parcours de la géométrie, comme l'une des contributions de cette thèse. Cette approche est basée sur un bouclage sur la courbe géométrique plutôt que sur l'ensemble de la grille Eulérienne pour identifier la frontière immergée. Cette approche prend en charge l'identification de géométries complexes sur des maillages cartésiens et hiérarchiques. Les informations de la géométrie immergée générées par l'approche de marquage sont transférées vers d'autres parties de l'algorithme pour intégrer le module des maillages superposés et le solveur fluide. La prise en compte du mouvement des objets est réalisée par l'utilisation de maillages superposés où la topologie immergée et la grille se déplacent dans un repère solidaire. Cette approche permet d'effectuer un marquage unique et constant du maillage même avec le déplacement de l'objet. En effet, on élimine le besoin de refaire le marquage de la grille à chaque pas de temps. Les applications avec des objets mobiles sont jusqu'à présent limitées aux mouvements de translation sans collisions entre les parois. Une approche de reconstruction implicite par la méthode des moindres carrés a été mise en oeuvre permettant de reconstruire la solution d'écoulement. Ce schéma prend en compte précisément la reconstruction des conditions aux limites pour les équations d'Euler au niveau des cellules d'interface avec la frontière immergée, ainsi que la reconstruction entre les maillages superposés pour transférer la solution d'écoulement entre celles via une couche de cellules interpolées autour de la frontière de la superposition. Le schéma de reconstruction a été vérifié analytiquement et numériquement pour les deux cas (pour l'application des conditions aux limites et la reconstruction pour le transfert de la solution entre les maillages superposés). Un résoluteur d'écoulement à schéma de volumes finis a été implémenté sur la base d'un schéma de Roe, où les calculs des flux sont généralisés à la discrétisation de l'espace Cartésien et hiérarchique. La méthode mise en oeuvre est du premier ordre dans l'espace et dans le temps, avec une intégration temporelle explicite. De plus, ce résoluteur est mis à jour avec la formulation Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) pour prendre en compte les vitesses de grille introduites par le module de maillages superposés. Un ensemble de cas de test de vérification sont menés et classés par type de configuration spatial (maillage unique ou maillages superposés), type d'écoulement (régime permanent ou instationnaire) et le mouvement de la géométrie (stationnaire, en mouvement à vitesse uniforme ou en mouvement accéléré) . Les cas tests réalisés vérifient l'intégration de chaque module du code développé et évaluent l'ordre de précision des schémas implémentés. Les résultats de l'algorithme développé sont limités à l'ordre de convergence du résoluteur (premier ordre) dans le cas d'écoulements sans discontinuités, et un ordre de convergence autour de (0.5) est atteint pour les cas d'écoulements discontinus ce qui concorde avec des configurations similaires disponibles dans la littérature. Cette recherche constitue, comme l'une des principales contributions de ce travail, la première version d'un algorithme entièrement basé sur l'approche IBM intégrée avec les maillages superposés hiérarchiques. De plus, ce jalon est extensible pour prendre en charge les mouvements complexes qui incluent la collision des géométries, les implémentations de schémas d'ordre élevé et les extensions 3D. La réalisation de ces extensions est en cours par l'équipe de recherche permettant de repousser les limitations de la méthodologie et du code développés et d'ouvrir de nouvelles perspectives pour des contributions scientifiques supplémentaires.  ABSTRACT: Numerical simulation of compressible flows over moving bodies can be found in numerous applications, ranging from internal and external flows (store separation at high speed, debris tracking, flying bodies at high Mach number, flow inside circuit breakers, etc). Numerical modeling of this wide range of applications raises some challenges when these three elements are combined; a) Geometric complexity. b) Flow complexity. and c) Body motion. This research addresses these challenges by the development of an algorithm able to simulate compressible flows over complex geometries in relative motion. This work presents the development of a numerical code based on the integration of the Immersed Boundary Method (IBM) with hierarchical Overset grids to simulate inviscid compressible flow problems. The proposed approach reduces the complexity of the numerical simulation compared to conventional body-fitted approaches. The immersed boundary is represented by the Sharp Interface (SI) method, where the geometry is accurately represented as a function of the Eulerian grid resolution. This method is suitable to represent rigid geometries. The grid resolution is controlled by a local grid refinement based on linear hierarchical grids. Linear quad-trees is an efficient data structure to represent hierarchical grids that can describe complex geometries accurately with low computational cost. Additional grid controls are presented, as grid pre-adaptation, to locally pre-adapt the computational domain for complex flow cases. A robust tagging approach is presented, based on a "Geometry Marching" procedure, as one of the contributions of this thesis. This approach is based on looping over the domain boundaries rather than over the entire Eulerian grid to identify the immersed boundary. The proposed tagging approach supports the identification of complex geometries on Cartesian and hierarchical grids. The information of the immersed geometry thus generated is transferred to other parts of the algorithm to integrate the overset module and flow solver. The body motion is introduced by the integration of overset grids, where every moving geometry is immersed on an overset tagged grid. The implementation of this approach allows to perform the mesh tagging only once on the overset grid, and this tagging remains constant with grid motion. This integration eliminates the re-tagging of the geometry every time step, where the overset grid will move entirely with fixed tagged geometry. The applied cases for overset grids are limited to translation motions, with a non-colliding geometries. A second-order implicit least-square representation is implemented to reconstruct the flow solution. This is applied to the reconstruction of boundary conditions for Euler's equations at the interface cells of the immersed boundary, as well as the transfer of the flow solution between overlapping grids via a layer of interpolated cells around the overset boundary. The reconstruction scheme is verified analytically and numerically for both cases (boundary condition and overset reconstruction). A cell-centered finite-volume scheme flow solver is implemented based on a flux difference splitting scheme (Roe's Scheme), where flux calculations are generalized to Cartesian and hierarchical space discretization. The implemented method is first-order in space and time, with an explicit temporal integration. In addition, the flow solver is updated with the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation to take into account the grid motion introduced by the overset module. A set of verification test cases (fifteen test cases) are conducted and categorized by the type of space configuration (single grids/overset grids), flow type (steady/unsteady), and body motion (stationary/uniform speed motion/accelerated motion). These test cases verify the integration of each module of the overall developed code and assess the order of accuracy of the implemented schemes. The results are limited to the solver order of convergence (first-order) in case of flows without discontinuities, and an order of convergence around 0.5 is attained for the cases of discontinuous flows, these results agree solutions for similar configurations available in the literature. As one of the main contributions of this work, this research succeeded in developing the first version of an entirely IBM-based algorithm integrated with hierarchical overset grids. In addition, this milestone is extendable to support complex body motion that includes body collisions, high-order scheme implementations, and 3D extensions. These extensions are currently in progress by the research team to push forward the limitations of the developed code and open new sights for additional scientific contributions.


identifier: Masmoudi, O. (2021). Modélisation et analyse de la non-qualité de planches en bois par apprentissage automatique  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie du sciage occupe une place économique significative au Québec. Pour répondre aux exigences relatives à la productivité et à la qualité dans le processus de sciage, les industries forestières doivent faire face à l'évolution rapide des technologies de l'information et de la communication. Ce projet se focalise sur les problèmes relatifs à la qualité du produit final, dans ce cas, les planches de bois. L'objectif global de cette mémoire consiste à modéliser la non-qualité des planches lors du processus du sciage pour identifier les causes racines de la mauvaise qualité du produit. Cet objectif est subdivisé en deux sous-objectifs principaux, notamment la détection de la non-qualité dans le produit fini lors de la coupe des billes de bois et l'identification des conditions sous lesquelles les critères de non-qualité apparaissent dans les planches afin de réduire éventuellement la quantité de planches de mauvaise qualité.  Deux méthodes d'analyse sont développées et appliquées. La première méthode suivie pour atteindre le premier objectif consiste à générer des règles de classification qui représentent chaque type de non-qualité du produit fini. Pour ce faire, la technique de l'analyse logique des données est utilisée en se basant sur le logiciel cbmLAD. Pour le second objectif, des modèles analytiques basés sur la régression à multi-sorties sont formulés pour expliquer les différents types de non-qualité trouvée dans les planches produites lors du processus de sciage. Une analyse d'importance est également effectuée sur les variables entrantes afin de détecter celles qui contribuent significativement au modèle construit. Enfin, une comparaison des résultats des modèles de classification et de régression est établie. Un cas d'étude est utilisé tout au long du mémoire pour implémenter et évaluer les modèles de classification et de régression proposés.  ABSTRACT: The sawmill industry occupies a significant economic place in Quebec. To meet the demands for productivity and quality in the sawing process, forest industries must cope with rapid developments in information and communication technologies. This project focuses on issues relating to the quality of the final product, in this case, wood planks. The goal of this master thesis is to model the wood planks of poor quality during the sawing process in order to identify the root causes of poor product quality. This goal is subdivided into two main sub-objectives, namely the detection of poor-quality product when cutting logs and the identification of the conditions under which the non-quality criteria appear in the boards.  Two analysis methods are developed and applied. The first method consists of generating classification rules, known as patterns, that represent each type of non-quality product. For this purpose, the technique of logical data analysis (Aguilar et al.) is used based on the cbmLAD software. In order to achieve the second sub-objective, analytical models based on multi-output regression are developed to explain the different types of non-quality. A significance analysis is also performed on the input variables to detect those that significantly contribute to the constructed model. Finally, a comparison of the results of the classification and regression models is established. A case study is used throughout the master thesis to implement and evaluate the classification and regression models.


identifier: Goyette, P.-A. F. (2021). Highly Multiplexable Open-Space Microfluidics  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La manipulation de liquide est le fondement de toute recherche en sciences de la vie. Malgré son importance, la majorité de la manipulation de liquide est toujours basée sur le pipetage de fluides, une méthode datant de plus d'un siècle.  La vague d'automatisation massive qui a débuté dans les années 70 a grandement augmenté le débit de tests pouvant être effectués. Cependant, à mesure que le débit de tests requis augmente et que les volumes des tests diminuent, le pipetage de fluides devient de plus en plus problématique. L'importance relative des forces en jeu change lorsque l'échelle du système diminue. La viscosité et la tension de surface deviennent importantes, ce qui entraine une augmentation des imprécisions des fluides pipetés.   Une méthode pour se sortir de cette « tyrannie du pipetage » est d'utiliser des puces microfluidique, qui sont conçues pour manipuler des fluides à l'échelle submillimétrique dans des réseaux de microcanaux afin de réaliser diverses tâches expérimentales. Les systèmes microfluidiques se libèrent du paradigme des plaques de puits. En effets, ils sont plutôt basés sur des circuits fluidiques dans lesquels les expériences prennent place. Procéder à des expériences dans des systèmes microfluidiques vient cependant avec son lot de difficultés et de défis. Une grande partie des échantillons en sciences de la vie sont des surfaces ouvertes, que ce soit des cultures 2D en Pétri, des tranches de tissu ou des puces à protéines. Injecter des échantillons dans des systèmes microfluidiques nécessite des modifications majeures aux protocoles habituels. De plus, certains échantillons sont incompatibles avec les systèmes microfluidiques, par exemple certains types de cellules particulièrement sensibles aux contraintes de cisaillement.   Le champ de recherche de la microfluidique sur surface ouverte s'attaque à ces problématiques. La microfluidique sur surface ouverte englobe une multitude de systèmes conçus afin d'interagir avec des surfaces. L'idée générale derrière ces systèmes est de permettre le dépôt localisé de fluides sur des surfaces, et donc de ne pas nécessiter l'insertion des échantillons dans le système. Les systèmes de microfluidique ouverte tels que les sondes microfluidiques, qui sont l'inspiration principale derrière ce projet de recherche, ont déjà démontré leur potentiel en traitement de surface. Ils ont notamment été utilisés pour le marquage immunohistochimique localisé et la lyse cellulaire sélective. Cependant, alors que les dispositifs de microfluidique sur surface ouverte permettent habituellement le contrôle extrêmement précis de fluides sur une surface, il n'y a pour l'instant aucune manière viable de paralléliser ces dispositifs. Cela nuit largement à leur adoption puisqu'ils ne peuvent pas être utilisés pour des expériences nécessitant un grand débit de test.  Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et l'évaluation d'une nouvelle génération de systèmes microfluidiques sur surface ouverte qui peuvent être parallélisés et reconfigurés. Ces nouveaux dispositifs, les multipôles microfluidiques, fonctionnent en utilisant les mêmes principes que les sondes microfluidiques. Cependant, leur parallélisation permet d'augmenter le nombre de tests pouvant être effectués, et leur reconfiguration permet de les utiliser afin d'automatiser des expériences multi-étapes.  Dans cette thèse, une méthode de fabrication de multipôles microfluidiques compatible avec des systèmes de toute taille est présentée. Cette méthode couvre la totalité du procédé de fabrication, de la conception des dessins vectoriels à l'aide de scripts jusqu'à l'assemblage des systèmes. Les résultats démontrent qu'il est possible de produire des multipôles microfluidiques formés de plus de 300 ouvertures, avec une taille d'ouverture de 160 µm. Les résultats d'expérience démontrent que les multipôles fabriqués ne comportent pas de défauts et de déformations affectant significativement les motifs d'écoulement des fluides.  Dans une deuxième section de cette thèse, la manière la plus efficace afin de multiplexer et de reconfigurer des multipôles microfluidiques formés d'un petit nombre d'ouvertures est investiguée. Plusieurs architectures et concepts de multipôles sont étudiés et testés. Le grand potentiel de reconfigurabilité des multipôles est démontré, et un stroboscope chimique permettant le contrôle d'impulsion d'un réactif sur une surface est testé. Cette section de mon projet de recherche culmine avec l'automatisation d'un test immunologique à l'aide d'un multipôle microfluidique.   La dernière section de cette thèse porte sur l'élaboration d'un multipôle microfluidique hautement parallèle. La pièce centrale afin d'atteindre cet objectif consiste en l'élaboration d'une unité multipolaire modulaire, les pixels microfluidiques, pouvant paver une surface avec des zones de confinement indépendantes. Le résultat est l'afficheur chimique pixélisé, un sous-type de multipôle microfluidique. Ce type de système peut théoriquement être étendu à n'importe quel nombre de pixels, et des systèmes formés de 144 pixels ont été testés expérimentalement. Les afficheurs chimiques pixélisés, comme les autres multipôles, peuvent être reconfigurés afin de générer des séquences « d'images chimiques », ce qui permet l'automatisation d'expériences multiétapes. Les afficheurs chimiques ont la particularité de pouvoir être utilisés sur des surfaces immergées ou sèches, ce qui est habituellement impossible pour un multipôle microfluidique. Afin de démontrer cette possibilité, le traitement de surface de film plastique est effectué avec un afficheur chimique intégré dans un système « roll-to-roll ». Cette section de ma thèse se termine par une démonstration d'un afficheur chimique étant opéré uniquement par deux pompes à pression.  De manière générale, cette thèse a pour objectif de présenter une nouvelle approche de la microfluidique sur surface ouverte. Les multipôles microfluidiques présentés dans cette thèse sont les premiers dispositifs du genre étant reconfigurables, ainsi que les premiers permettant l'automatisation d'expériences multi-étapes. Les afficheurs chimiques pixélisés permettent une parallélisation qui est sans précédent en microfluidique sur surface ouverte.  ABSTRACT: Liquid handling is at the forefront of life science research. Despite its importance, it has been based on the same principle, the pipetting of fluids in wells, for over a century. The massive automation boom starting from the 70' has greatly increased the throughput that can be achieved. However, as the required throughput increased and the wells and reagent volumes are decreased further and further, pipetting fluids become more and more problematic. It is due to fluid viscosity and surface tension becoming more important as the scale of the problem decrease, leading to increased imprecision.  A way out of the “tyranny of pipetting” is to use microfluidic devices that are designed to operate with fluid at the microscale. Microfluidic systems break free from the well plate paradigm and are based on fluidic circuits in which the whole experiment usually takes place. However, processing samples in microfluidic systems come with its own challenges and limitation. A lot of standards samples in life science are surfaces, such as cultures in Petri, tissue slices or protein arrays. Moreover, injecting samples in a microfluidic system often require important modification to the experimental protocol. Some biological samples are also incompatible with microsystems, such as certain types of cells that are extremely vulnerable to shear stress.  The subfield of open-space microfluidic tries to address those limitations. Open-space microfluidics encompasses many systems that aim at processing and interacting with open surfaces. The general idea behind those systems is to allow the localized deposition of fluids directly on surfaces, and thus not require the insertion of the samples into the systems. Open-space microfluidic systems such as the microfluidics probe, which is the main inspiration being this project, have already demonstrated their potential in surface patterning. They have been successfully used for applications such as immunohistochemical staining and selective cell lysis. However, while the open-space microfluidic systems can precisely confine a fluid in an area, a viable method to parallelize those devices remains virtually inexistent. This greatly limit their adoption since they cannot be used for experiment requiring high throughput.  This research project revolves around the design, fabrication, and evaluation of a new generation of open-space microfluidic devices that are parallelizable and reconfigurable. These new devices, the microfluidic multipoles (MFMs), operate on the same principles as the previous microfluidic probe. However, their parallelization allows for an increase in throughput, and flow pattern reconfiguration open the possibility to perform multistep experiments.  In this thesis, a fabrication method for MFMs of any size, from a few apertures to several hundreds of apertures is presented. This method covers the whole process, from the script-assisted CAD design to the assembly of multipoles. The results demonstrate the possibility to fabricate MFMs with as many as 313 apertures with a size as small as 160 µm. Experiment have demonstrated that MFMs could be reliably printed without defects and warping that would deform the flow. This fabrication method is, furthermore, simple, inexpensive and versatile.  A second section of this thesis investigate the best way to parallelize and reconfigure MFMs that are comprised of a limited number of apertures. Different multipole architectures are proposed and tested. The high reconfiguration potential of MFMs is demonstrated, and a chemical stroboscope allowing the spatiotemporal pulse of chemicals on a surface is presented. This part of my work culminates with the automation of an immunofluorescence assay, which demonstrates the potential use of MFMs to automatize long-term multistep experiments.   The last section of my work is an all-out attempt at highly parallel open-space systems. This section revolves around the use of modular MFM units, the microfluidic pixels, to tessellate whole surfaces in independent confinement areas. This results a Pixelated Chemical Display (PCD), a subtype of MFM. This device architecture can theoretically be expanded to any size and was experimentally tested for systems formed of up to 144 pixels. PCDs, just like other MFMs, can be reconfigured to create sequences of “chemical images”. That allows them to be used to automatize multistep experiments. Moreover, they can be made compatible with dry surfaces, which is not expected from an open-space microfluidic system. We demonstrated that capability by patterning dry plastic films in a custom roll-to-roll setup. This section of my thesis end with a demonstration of how to operate large PCDs using only two pressure pumps.  Overall, this thesis aims at offering a new way of approaching open-space microfluidics. MFMs presented in this thesis are the first reconfigurable microfluidic multipole, and the first open-space system to be used to automate multistep experiments. Moreover, PCDs presented in this work offer a parallelization potential which is unprecedented in open-space microfluidics.


identifier: Zejli, I. (2021). Regroupement par algorithme hiérarchique et k-means des profils d'usage des bornes de recharge publiques de véhicules électrique et analyse des facteurs d'usage liés à leur environnement  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le réchauffement climatique représentant un danger important pour la protection des générations à venir, plusieurs initiatives ont été lancées pour réduire l'émission de gaz à effet de serre. L'une de ces initiatives a été la promotion de l'adoption des véhicules éclectiques (VEs) par la population puisque le transport terrestre représente plus de 14% des émissions de CO2 dans le monde. L'introduction et le développement rapide des véhicules électriques a cependant introduit plusieurs défis. Parmi ces défis figure le problème du déploiement et de gestion des bornes de recharge de véhicules électriques (BRVEs) dans nos routes. En effet, les BRVEs représentent non seulement une barrière pour la vente exponentielle de VEs mais aussi un aspect important à considérer dans la gestion du réseau électrique. En premier lieu, l'angoisse liée à l'autonomie des VEs étant une préoccupation majeure chez les propriétaires de VEs, le manque ou l'expansion inefficace des BRVEs pourrait mener à un ralentissement des ventes de VEs. Cette angoisse est non seulement liée à la crainte de ne pas trouver de BRVEs à proximité où recharger, mais aussi qu'elles soient toutes occupé ou que l'attente soit trop longue pour qu'une devienne disponible. En deuxième lieu, les BRVEs présentent un défi majeur chez les opérateurs qui doivent assurer une demande constante pour maintenir un profit étant donné leur investissement important lors de l'installation et la maintenance des BRVEs. Enfin, les distributeurs d'électricité doivent prendre en compte l'utilisation des BRVEs installées et potentielles pour non seulement mieux planifier l'expansion et l'investissement sur le réseau électrique mais aussi pour prévenir des charges de pointe. Plusieurs études ont déjà été menées pour non seulement optimiser la planification des BRVEs mais aussi leur opération. Peu d'articles ont cependant exploité les données pour développer leur solution en raison du manque de base de données libres d'accès. Cette recherche se sert donc de données récupérées d'Hydro-Québec pour développer une approche à deux étapes qui a pour but de non seulement analyser l'utilisation des BRVEs installées mais aussi d'étudier les facteurs externes pertinents qui affectent l'utilisation des BRVEs. Cette approche vise principalement à conseiller les opérateurs sur l'utilisation des bornes déjà installées et potentielles. L'approche utilisée se démarque d'autres articles par sa structure et ses méthodes employées. En premier lieu, chaque BRVE est représentée par tous ses profils de connexion journalier datant de 2019 à 2020. Ces profils de connexion sont représentatifs de l'utilisation des BRVEs dans une période de 24 heures où une valeur de 1 est représentative d'une utilisation de la borne et 0, de la disponibilité de la borne. Ensuite, les profils de connexion journalier de chaque borne sont regroupés grâce à un algorithme de regroupement hiérarchique en utilisant la mesure de distance Dynamic Time Warping (DTW). Le regroupement est exécuté de façon à préserver la granularité des données et donc de sorte à généraliser le moins possible les profils de connexion des bornes. Cette étape sert principalement à étudier la diversité des profils de connexion des différentes stations ainsi que de réduire le nombre de profils de connexion à étudier pour la prochaine étape. En effet, les centroïdes générés par cette étape sont ensuite utilisés pour pouvoir comparer les profils de connexion de toutes les BRVEs. Pour compléter cette étape, un regroupement hiérarchique utilisant le DTW est utilisé pour regrouper les centroïdes de manière à produire le moins de regroupements possible. Cette étape permet non seulement de comparer les stations mais aussi d'offrir une analyse complète sur les profils de connexion types observés dans les BRVEs de l'île de Montréal. Enfin, ces résultats sont utilisés pour le développement d'un modèle KNN de classification permettant de comprendre la pertinence d'attributs sur l'utilisation des BRVEs à partir d'une analyse SHAP. Plus précisément, des attributs tels que les points d'intérêts avoisinant les BRVEs et le profil socio-économique de la population autour des BRVEs sont évaluées. Plusieurs conclusions ont pu être tirées de ces étapes. En premier lieu, le regroupement des profils de connexion de chaque borne a permis de mieux comprendre la diversité de l'usage des bornes. D'un côté, l'hypothèse que l'âge de la borne pourrait avoir un impact sur la variété des profils a été rejeté, cependant il existe une légère corrélation entre le nombre de jour où la borne a été utilisée et la variété de ses profils de connexion. En deuxième lieu, l'étude des profils de connexion de toutes les bornes a présenté plusieurs résultats sur le profil de connexion général des différentes bornes. D'un côté, plus de 41% des profils de toutes les bornes considérées représente une utilisation nulle durant toute la journée. D'un autre côté, les autres profils généraux de connexion journaliers les plus populaires sont ceux pour lesquels l'utilisation est répandue durant la journée (entre 8h et 15h), et l'après-midi et le soir. Une étude plus accrue sur les proportions des profils généraux de connexion des différentes bornes a ensuite révélé que certains profils de connexion sont plus populaires dans certaines régions, tels que l'aéroport, que d'autres. Enfin, le modèle de classification a démontré que les attributs les plus important pour l'explication des profils de connexion d'une borne sont la proximité de la borne à des services financiers, des stations de métro ou de location de bicyclette, des endroits religieux et des endroits de divertissement et d'arts, parmi plusieurs autres attributs. L'analyse SHAP a aussi démontré que l'importance des attributs diffère selon le profil d'usage de la borne.  ABSTRACT: Concerns over the increasing levels of CO2 emissions has led countries to meet every year for the Conference of the Parties (COP) to discuss problems and solutions to save our planet. While agreements have been signed to push countries to reduce their carbon footprint such as the Paris agreement, countries' approach to abide by them have differed. A similar approach followed by many has however been to encourage the adoption of Electric Vehicles (EVs) by their population as the transportation sector represents 14% of the global greenhouse emissions. While in many countries, government incentives, technological advancement, and the growing offer of EVs have led to a spike in EV sales, their growing adoption has introduced many challenges that need to be tackled. Of the many challenges is the efficient planning and operation of Electric Vehicle Charging Stations (EVCSs). Indeed, the inconsideration of the infrastructure for EV charging represents not only a barrier to the consistent growth of EV sales but also a concern for electricity providers and EVCS operators. On one hand, lack of an optimal deployment of EVCSs in the roads can lead to a spike in EV users' range anxiety and fear of finding no available EVCS or having to wait long hours for one to become available. This in turn can dissuade many from switching to the use of an EV. On the other hand, operators need to be aware of the demand of installed and potential EVCSs to ensure profit from their installation and maintenance investments. Similarly, electricity providers' access to this information can be crucial for better investment on the power grid and to prevent peak loads through services like vehicle-to-grid (V2G). Many articles have already been presented in the literature covering these challenges and offering different approaches to tackle them. However, only a few have used historical data to better represent the demand for EVCSs, whereas many have sought to simulate the demand through vehicle traffic. The present research seeks to use historical data on the use of EVCSs in the city of Montreal to better understand the demand and offer more reliable insight on their use. This data is leveraged in a two-stage approach used to not only analyze the use of EVCSs but also understand external factors most relevant in predicting their demand profiles. The results are then used to better advise operators and electricity providers on the demand profile of currently installed EVCSs and of different potential locations. The two-stage approach sets itself apart from other articles not just by the analysis done but also by the methods it uses. First, each EVCS is represented by a set of its daily connection profiles from all its ports' data between 2019 to 2020. These are 24-hour sequences for which a 1 is set to a specific hour if a vehicle is connected to the EVCS and 0 otherwise. This data is then first used in a hierarchical clustering algorithm using the Dynamic Time Warping (DTW) distance to not only better understand how diverse the connection profiles of the di˙erent EVCSs are but also to reduce the number of profiles analyzed in the next step. Using the centroids produced in the previous section, another hierarchical clustering algorithm using the DTW distance is executed to compare the profiles of the di˙erent EVCSs. Finally, a KNN classification model is used to predict the profiles of the di˙erent EVCSs given input data such as points of interests at most 500 meters away from the station and socio-economic data on the population living close to the EVCS. Various conclusions were made through the di˙erent steps followed. First, EVCSs' connec-tion profiles are very diverse leading to the idea that their use is very stochastic and can be thought of as hard to predict. This observation was made through the clustering of individual profiles which resulted in a very high number of optimal clusters in certain cases. Moreover, clustering profiles all together showed that there exists a high proportion (41%) of daily connection profiles for which no use is recorded during the day. Other clusters on the other hand, particularly those for which a connection is recorded between 8am and 3pm (19%), and in the afternoon and at night have very high proportions amongst other profiles. Associating the different clusters to EVCSs' daily profiles showed that unpopular clusters were prominent in isolated stations located in the airport for instance. Finally, the SHAP analysis completed on the k-NN classification model showed that points of interests were most relevant in predicting the connection profiles of and EVCS. More specifically, locations offering financial, transportation and educational services as well as places of worship and arts and entertainment venues had the greatest impact on the final model. The SHAP analysis however also showed that attributes' relevance di˙ered depending on the connection profile of the EVCS.