identifier: Sentissi, M. L. (2020). Développement d'une méthodologie d'essais de fatigue vibratoire HCF pour les métaux  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les moyens d'essais pour la caractérisation du comportement en fatigue à grand nombre de cycles (High Cycle Fatigue, ou HCF) des métaux sont multiples. Il existe notamment différents types de machine d'essai : servo-hydrauliques, rotatives, ultrasoniques, ou vibrophores. Les machines de flexion rotative ainsi que les montages ultrasoniques et les vibrophores sont généralement limités quant aux types de sollicitation pouvant être imposés. Les machines ultrasoniques ont l'avantage de générer des sollicitations à hautes fréquences - ce qui accélère l'exécution des essais - et de permettre d'investiguer le domaine de la fatigue à très grand nombre de cycles. Cependant, elles présentent l'inconvénient de ne pas toujours représenter les fréquences de sollicitation des pièces en service. Les machines servo-hyauliques permettent de générer plusieurs états de contrainte différents selon le montage employé. Ceci dit, ces montages sont souvent coûteux, inefficaces énergétiquement et limités aux basses fréquences. De plus, il est souvent nécessaire de modifier le montage ou de changer de machine pour modifier l'état de contrainte. Les méthodes vibratoires exploitant la résonance d'éprouvettes sur un pot vibrant sont prometteuses car elles sont relativement efficaces du point de vue énergétique. Elles permettent aussi de travailler sur une large plage de fréquence (jusqu'à quelques kHz au moins). De plus, il est possible d'obtenir différents types de sollicitations en conservant le même montage et en apportant des modifications mineures à la géométrie d'éprouvette. L'objectif de ce projet de recherche est d'explorer les différents états de contrainte qui peuvent être atteints par l'usage d'un pot vibrant et de développer une méthode d'essai robuste pour calibrer les critères de fatigue multiaxiale. Une revue des concepts de base de la fatigue HCF a permis d'identifier les mécanismes principaux liés à ce phénomène ainsi que les critères couramment utilisés afin de caractériser la tenue en fatigue uniaxiale et multiaxiale. Le critère de Dang Van permet de mettre en lumière la nécessité d'essais de fatigue multiaxiale afin de calibrer les modèles utilisés en conception. Les méthodologies expérimentales permettant de calibrer les critères de résistance en fatigue incluent les essais ultrasoniques, les essais sur vibrophore, les machines rotatives de type R.R. Moore, les machines servo-hydrauliques ainsi que les essais sur pot vibrant.  ABSTRACT: A variety of High Cycle Fatigue testing methods based on different machines exist : sevo-hydraulic machines, rotating beam machines, ultrasonic machines or vibrophores. Vibrophores, rotating beam and ultrasonic machines are generally limited as to the achievable stress states. Ultrasonic machines have the advantage of generating high frequency cyclic loading – which reduces testing time – and allow for the investigation of Very High Cycle Fatigue. However, their high testing frequency is also a drawback insofar as it may not be representative of loading frequencies of actual parts in service. Servo-hydraulic machines can achieve a variety of different stress states depending of the particular machine and setup. That being said, these machines are often expensive, energetically inefficient and limited to low frequencies. In addition, it is often necessary to modify the setup or use a different machine to change the targeted stress state. Vibration based methods that exploit specimen resonance on an electrodynamic shaker are promising in part because they are relatively efficient from an energetic point of view. Furthermore, they allow for a wide range of testing frequencies (up to a few kHz at least) and can achieve a variety of stress states using the same setup and altering only the specimen geometry. The main objective of the research project is to explore the different stress states that can be achieved using an electrodynamic shaker and to develop a robust testing methodology to calibrate multiaxial fatigue criteria. A review of basic HCF fatigue concepts lead to the identification of the main mechanisms underlying this phenomenon as well as the usual criteria employed in order to characterize uniaxial and multiaxial fatigue. The Dang Van criterion in particular is used to illustrate the need for multiaxial fatigue testing in order to calibrate models that are used downstream in part design. Testing methodologies that allow for this kind of calibration include those based on R.R. Moore, sevo-hydraulic, ultrasonic machines as well as vibrophores or shakers. A comparative analysis reveals that shaker based methods could constitute an excellent way to easily test specimens under a wide range of stress states as well as loading frequencies for HCF tests. The following question then arises : what range of multiaxial stress states can be generated on a plate using a shaker ?


identifier: Maingot, B. (2020). Dispersion Characterization in Single-Mode Optical Fibers for Supercontinuum Generation Supporting Few-Cycle Pulses  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Dans les dernières décennies, le domaine de la photonique ultra rapide a connu de nombreuses avancées. Cela a été motivé du côté de l'industrie par l'augmentation de la bande passante et l'utilisation des fibres optiques pour transmettre l'information et du côté fondamental par le fait que la génération d'impulsions lumineuses courtes donne accès à un instrument d'exploration des dynamiques fondamentales de la matière. La propagation d'impulsions ultra courtes est accompagnée par un élargissement spectral induit par des effets d'optique non linéaire dus à l'intensité importante de l'impulsion. La géométrie des fibres optiques permet la propagation confinée de la lumière pour une distance supérieure à la longueur de diffraction caractéristique. Cela fait des fibres monomodes des candidates très attractives pour la génération d'impulsions à l'aide d'effets non linéaires. La propagation de telles impulsions est fortement influencée par les propriétés dispersives des matériaux et du guide d'onde et pousse l'étude des caractéristiques dispersives des fibres mono-modes à travers une large bande spectrale. L'objectif principal du projet est de caractériser la dispersion de fibres optiques avec une extrême précision sur une large région spectrale. A cause de la dispersion induite par la géométrie du guide d'onde, utiliser l'équation de Sellmeier ne suffit pas pour décrire précisément la dispersion dans une fibre optique. Il est donc nécessaire de construire un montage optique. Un interféromètre de Mach-Zehnder qui contient la fibre sous étude dans un de ses bras et une ligne à délai dans l'autre est parfait pour cette application. L'étude des interférences à des longueurs d'onde différentes permet d'obtenir toute l'information nécessaire à l'extraction de la dispersion, comme le montre le chapitre 3. L'interféromètre est un système sensible, le ratio signal sur bruit doit être optimisé à la fois lors de l'acquisition du signal et lors de son traitement subséquent. Nous appliquons une transformée de Hilbert pour récupérer l'enveloppe du signal oscillant, comme le montre le chapitre 4. Notre montage est capable de mesurer et d'analyser la dispersion d'une fibre optique entre les longueurs d'onde de 1150 et 2600 nm. Il est compact et portable (en omettant la source de lumière) avec la possibilité de changer la fibre à étudier. Obtenir les caractéristiques dispersives d'une fibre optique hautement non linéaire permet de simuler la propagation d'une impulsion lumineuse courte (60 fs) dans celle ci. En utilisant un programme Python pour modéliser à la fois les non-linéarités et les effets dispersifs de la fibre optique, on obtient la forme temporelle et spectrale de l'impulsion à la sortie de la fibre.  ABSTRACT: Within the last few years, many advances have been made in the field of ultrafast photonics. On the technology side, this interest is motivated by increasing bandwidth requirements in telecommunications and the use of fiber optics to transmit information. On the fundamental side, production of short pulses provides an instrument for investigating fundamental dynamics underlying interacting internal degrees of freedom in matter. The propagation of ultrashort pulses often requires spectral broadening via optical nonlinear processes accessed through the high peak intensity of the pulse. Optical fiber geometry allows for propagation of localized light through distances much longer than the characteristic diffraction length. As a result, single-mode optical fibers are very attractive candidates as a nonlinear medium for the production of ultrashort pulses. Propagation of short pulses is also strongly influenced by the dispersion properties of the medium and thus motivates the study of dispersion properties of single-mode fibers across a wide spectral band. The primary objective of this project is to characterize the dispersion in optical fibers with extreme precision over a large region of spectral bandwidth. Because of the dispersion induced by the waveguide geometry, Sellmeier's equations do not accurately describe the dispersive properties of a fiber. Building a characterization setup is then necessary. An unbalanced Mach-Zehnder interferometer with the fiber under measurement on one arm and a delay stage on the other is perfect in this case. Generating interferences with different input wavelengths gives all the information to compute the fiber dispersion as shown in chapter 3. As interferometers are very sensitive, the signal to noise ratio can be improved by optimizing the electronics on the hardware side, and by using a Hilbert transform to retrieve the envelope of a signal on the processing side, as shown in chapter 4. The setup built in this project is able to measure and analyse the dispersion of an optical fiber between the wavelengths of 1150 nm and 2600 nm. It is both compact and movable (minus the light source) with the possibility to change the fiber to measure. Computing dispersion allows to simulate the propagation of an ultrashort pulse (60 fs) in a highly nonlinear fiber. Using a Python program to model both nonlinearities and the dispersion inside the fiber, we can compute the temporal shape of the output pulse and its spectrum.


identifier: Feizi Ashtiani, A. (2020). Secrecy-Optimized Resource Allocation for Device-to-Device Communication Undelaying Cellular Networks  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de l'introduction de la communication de périphérique-à-périphérique «device-to-device» (D2D) sous-jacente aux systèmes de communication sans fil de cinquième génération (5G), est d'augmenter l'efficacité spectrale (ES). Cependant, la communication D2D sous-jacente aux réseaux cellulaires peut entraîner une dégradation des performances causée par des co-interférences de canal sévères entre les liaisons cellulaires et D2D. De plus, en raison de la complexité du contrôle et de la gestion, les connexions directes entre les appareils à proximité sont vulnérables. En conséquence, la communication D2D n'est pas robuste contre les menaces de sécurité et l'écoute clandestine. Pourtant, les co-interférences de canal peuvent être adoptées pour aider les utilisateurs cellulaires (UC) et les paires D2D afin d'empêcher l'écoute clandestine. Dans cette thèse, nous étudions différents scénarios de problèmes d'allocation de ressources en utilisant le concept de sécurité de couche physique «physical layer security» (PLS) pour la communication D2D sous-jacente aux réseaux cellulaires, tout en satisfaisant les exigences minimales de qualité de service (QoS) des liaisons cellulaires et D2D. Dans le cas où PLS est pris en compte, l'interférence peut aider à réduire l'écoute clandestine. Premièrement, nous formulons un scénario d'allocation de ressources dans lequel chaque bloc de ressources (RB) temps-fréquence de multiplexage par répartition orthogonale en fréquence (OFDM) peut être partagé par une seule CU et une paire D2D dans un réseau unicellulaire. Le problème formulé est réduit au problème de correspondance tridimensionnelle, qui est généralement NP-difficile, et la solution optimale peut être obtenue par des méthodes compliquées, telles que la recherche par force brute et/ou l'algorithme de branchement et de liaison qui ont une complexité de calcul exponentielle. Nous proposons donc une méta-heuristique basée sur l'algorithme de recherche tabou «Tabu Search» (TS) avec une complexité de calcul réduite pour trouver globalement la solution d'allocation de ressources radio quasi-optimale.  ABSTRACT: The primary goal of introducing device-to-device (D2D) communication underlying fifthgeneration (5G) wireless communication systems is to increase spectral efficiency (ES). However, D2D communication underlying cellular networks can lead to performance degradation caused by severe co-channel interference between cellular and D2D links. In addition, due to the complexity of control and management, direct connections between nearby devices are vulnerable. Thus, D2D communication is not robust against security threats and eavesdropping. On the other hand, the co-channel interference can be adopted to help cellular users (CUs) and D2D pairs to prevent eavesdropping. In this thesis, we investigate different resource allocation problem scenarios using the physical layer security (PLS) concept for the D2D communication underlying cellular networks, while satisfying the minimum quality of service (QoS) requirements of cellular and D2D link. If the PLS is taken into account, the interference can help reduce eavesdropping. First, we formulate a resource allocation scenario in which each orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) time-frequency resource block (RB) can be shared by one single CU and one D2D pair in a single-cell network. The formulated problem is reduced to the threedimensional matching problem, which is generally NP-hard, and the optimal solution can be obtained through the complicated methods, such as brute-force search and/or branch-andbound algorithm that have exponential computational complexity. We, therefore, propose a meta-heuristic based on Tabu Search (TS) algorithm with a reduced computational complexity to globally find the near-optimal radio resource allocation solution.


identifier: Bessette, C. (2020). Evaluation of existing constitutive models in nonlinear 1D effective stress ground response analysis  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le Code National du Bâtiment Canadien recommande de réaliser une analyse de réponse de sol en contraintes effectives lorsqu'un potentiel de liquéfaction est identifé dans un profil de sol. Alors que les modèles constitutifs pour l'analyse de réponse de sol en contraintes totales ont été validés de façon exhaustive par l'entremise de plusieurs enregistrements de séismes, les modèles en contraintes effectives n'ont pas encore été complètement validés. La présente étude évalue les prévisions de cinq modèles constitutifs dérivés pour l'analyse de réponse de sol en contraintes effectives. Les enregistrements de sept études de cas de liquéfaction sont utilisés, incluant des données de stations d'accéléromètres et d'essais en centrifugeuse,où un potentiel de liquéfaction a été identifié pendant au moins un séisme. Des séismes d'intensités sismiques et de potentiels de génération de surpressions interstitielles variés ont été sélectionnés.  ABSTRACT: The National Building Code of Canada recommends that effective stress ground response analysis be performed if a liquefiable stratum is identified within a soil profile. While constitutive models for total stress ground response analysis have been well verified against earthquake recordings, existing models for effective stress ground response analysis have yet to be thoroughly validated. The present research project investigates the predictions of five constitutive models derived for effective stress ground response analysis. The recordings from seven liquefaction case histories are used, including data from downhole arrays and centrifuge experimental results, where the potential for liquefaction was identified during at least one earthquake. The ground motion records were selected to represent varying ground motion intensity and excess-pore pressure generation levels. The difference between predictions of the effective stress models against commonly used one dimensional ground response total stress equivalent-linear and nonlinear analyses are evaluated.


identifier: Benchimol, A. A. (2019). Simulation de l'extrusion du celluloïd en filière plate  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'étude de la simulation de l'écoulement du celluloïd en profilé est un domaine très peu étudié actuellement, car il implique de fortes compétences en rhéologie, mathématique et informatique. De fait, il fait partie de ces champs d'études nécessitant une formation éclectique. Cette étude présentera ainsi les outils propres à chacun des domaines précédemment évoqués afin de simuler ce genre d'écoulement. Ce mémoire aura donc pour but de mieux comprendre et prédire l'écoulement du celluloïd dans un profilé afin de limiter les essais en laboratoire qui sont à la fois risqués et coûteux.  ABSTRACT: The study of the simulation of celluloid flow in die is a very rarely studied field at present because it involves strong skills in rheology, mathematics, and computer science. It is one of those fields of study that requires eclectic training. This study will present the tools specific to each of the areas mentioned above to simulate this type of flow. The aim of this thesis will therefore be to better understand and predict the flow of celluloid in a profile in order to limit laboratory tests, which are both risky and costly.


identifier: Brassard, D. (2020). Développement d'un nanocomposite conducteur pour le soudage par résistance des composites thermoplastiques  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le soudage par résistance est une méthode rapide et efficace pour joindre des pièces en composites thermoplastiques. En collaboration avec le partenaire industriel, ArianeGroup, ce projet a pour but de développer un élément chauffant nanocomposite pouvant servir à produire une jonction flexible en soudant des pièces de composite thermoplastique et d'élastomère thermoplastique. Le développement de ce joint flexible soudé a pour but de remplacer une jonction par adhésifs entre les réservoirs et les jupettes sur un lanceur de satellite. Le développement de ce joint a été réalisé en 4 étapes. Tout d'abord, il a été nécessaire de concevoir un nanocomposite conducteur aux propriétés adaptées pour servir d'élément chauffant durant le soudage par résistance. Par la suite, cet élément chauffant a été utilisé pour développer un procédé de soudage entre des adhérents en composite thermoplastique. Ensuite, une fenêtre d'opération a été établie afin d'améliorer notre contrôle du procédé ainsi que les performances des joints obtenus. Finalement, l'élément chauffant nanocomposite a été employé afin de développer un procédé de soudage avec un élastomère thermoplastique afin de former une jonction flexible.  ABSTRACT: Resistance welding is a quick and efficient way to join thermoplastic composite parts. In collaboration with the industrial partner, ArianeGroup, this project develops a nanocomposite heating element to produce a flexible junction by welding thermoplastic composite parts to a thermoplastic elastomer. This welded flexible joint will replace an adhesive bonded junction between the tanks and skirts of a satellite launcher. Development of this joint was done in 4 stages. First, it was necessary to develop a conductive nanocomposite with appropriate properties to serve as a heating element during resistance welding. This heating element then served to develop a resistance welding process between thermoplastic composite adherents. Following that, a process window was established to improve our control over the process and the performance of the joints. Finally, the nanocomposite heating element served to develop a resistance welding process with a thermoplastic elastomer to form a flexible joint.


identifier: Audet, M. (2020). Cadre méthodologique pour le développement d'un outil d'aide à la prise de décision appliqué à l'optimisation du système de gestion des résidus de CRD au Québec  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au Québec, la génération des résidus de construction, rénovation et démolition (CRD) est estimée à plus de 4 millions de tonnes par année (Luc Vachon et al., 2009). On note cependant un faible taux de valorisation pour les résidus de CRD provenant du segment bâtiment. Plusieurs personnes sont à pied d'oeuvre afin d'optimiser le système de gestion de ces matières résiduelles. Toutefois, les décideurs qui s'emploient à améliorer cette situation font face à de nombreuses variables qui interagissent entre elles de façon complexe et ne disposent souvent pas de toutes les informations nécessaires pour choisir la solution optimale.  ABSTRACT: In the province of Québec, the generation of construction, renovation and demolition (CRD) waste is estimated at more than 4 million tons per year (Luc Vachon et al., 2009). Despite this amount, the recovery rate of the debris originating from building projects is not very high. Many actors are working to optimize CRD waste management systems. However, decision makers working on this situation are facing large numbers of variables that interact with each other and they rarely have all the information needed to make an optimal choice.


identifier: Makhloufi, S.-E. (2020). Résolution du problème de construction des horaires mensuels d'une compagnie aérienne avec la méthode d'exploration de voisinage d'un ensemble initial de clusters  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les compagnies aériennes ont eu recours à la recherche opérationnelle pour résoudre efficacement une partie de leurs problèmes de gestion et de planification. Parmi ces derniers, on trouve le PCHMME (problème de construction d'horaires mensuels des membres d'équipage). Ce problème consiste à construire un horaire mensuel pour chaque membre d'équipage en lui affectant un ensemble de rotations ainsi que d'autres tâches telles que les vacances et les formations afin de construire un horaire mensuel pour ce membre. Une rotation représente une succession de vols séparés par des périodes de repos. Une rotation débute et se termine dans la même base (aéroport). L'horaire construit doit respecter l'ensemble des règles gouvernementales, les règles de la convention collective, etc. L'ensemble de rotations est construit durant une étape antérieure. Le problème de construction des horaires est un problème combinatoire et dont la complexité croît exponentiellement avec la taille du problème et le nombre de règles à respecter. La compagnie AD OPT offre des produits d'optimisation dans le domaine du transport aérien. Un de ces produits est dédié à la résolution du PCHMME. Ce dernier est basé sur un solveur qui utilise la programmation linéaire, en particulier l'approche de la génération de colonnes. L'objectif principal de ce travail est d'améliorer le temps de résolution du PCHMME pour une compagnie aérienne donnée. Cette dernière est classée parmi les plus grandes compagnies aériennes au monde suivant un classement basé sur la taille de la flotte et le nombre d'employés. La taille du PCHMME correspondant est alors très grande. Le personnel de cabine de cette compagnie est classifié dans des catégories telles que la catégorie CM qui regroupe les chefs de cabine et la catégorie FA qui regroupe la grande majorité du reste des membres de cabine. La caractéristique la plus importante pour le présent travail qui distingue ces deux catégories est la taille. En effet, la taille de la catégorie FA est beaucoup plus grande que celle de la catégorie CM. Le PCHMME est résolu d'une manière séquentielle, catégorie par catégorie. Dans ce travail, on propose l'utilisation de la solution de la catégorie CM afin d'accélérer la résolution de la catégorie FA, car la durée de résolution de cette dernière est beaucoup plus longue que celle de la catégorie CM. À partir de la solution de la catégorie CM, on construit un ensemble de clusters qui regroupe les rotations du problème de FA. Chaque cluster représente une succession de rotations. L'ensemble de clusters servira de cible durant la résolution des sous-problèmes de la catégorie FA. Seulement les chemins qui sont au voisinage de cet ensemble seront générés, ce qui permet de réduire le temps de résolution des sous-problèmes. Plusieurs méthodes ont été proposées afin de construire cet ensemble de clusters. Une de ces méthodes est basée sur l'utilisation d'un algorithme de flot à coût minimum pour obtenir un ensemble de clusters avec une cardinalité minimale. Au niveau de la résolution de la catégorie FA, on propose une approche améliorée de la génération de colonnes avec la MEV (méthode d'exploration de voisinage). Cette méthode est implémentée au niveau du sous-problème et permet de ne générer que les colonnes qui sont au voisinage de l'ensemble initial de clusters. On a également proposé plusieurs versions de la MEV pour déterminer la taille du voisinage à explorer durant la résolution des sous-problèmes. Parmi ces versions, on trouve la version dynamique de la MEV qui permet de déterminer une distance maximale permise par rapport à l'ensemble initial de clusters avant chaque résolution de sous problème. Cette valeur est déterminée suivant le nombre et la qualité des colonnes générées. La MEV permet également aux membres de la catégorie FA d'avoir un nombre minimum de chefs durant le mois. Cela a un impact positif sur la productivité de l'employé. La MEV n'a pas donné de bons résultats pour la compagnie étudiée, car cette dernière a plusieurs particularités qui nuisent à la MEV. Pour cette raison, on a proposé un raffinement de données afin de produire des données qui ressemblent plus aux celles des autres compagnies qui ont moins de caractéristiques qui vont à l'encontre de la MEV. Après avoir testé avec les nouvelles données, on n'a pas obtenu l'amélioration attendue. Ceci est dû à une mauvaise interaction entre la MEV et des algorithmes utilisés au niveau de l'approche de résolution existante dans le produit d'AD OPT.  ABSTRACT: Airlines have used operational research to effectively resolve some of the management and planning issues they face. Among these, we find the crew rostering problem CRP which consists in assigning for each given crew member, a set of pairings as well as other tasks such as vacations and training in order to build a monthly schedule for this crew member. The schedule built must comply with all government rules and the rules of the collective agreement. The set of pairings is built during an earlier stage (a pairing represents a succession of flights and starts and ends at the same airport). The CRS is a combinatorial problem and its complexity increases proportionally with the size of the problem and the number of rules to be respected. The company AD OPT offers optimization products in the aviation sector. One of these products is dedicated to the resolution of CRP. The latter is based on a solver that uses linear programming, in particular the column generation approach. The main objective of this work is to improve the time consumption of CRP for a given airline. This airline is ranked among the largest airlines in the world according to a ranking based on the size of the fleet and the number of employees. Therefore the size of the corresponding CRP is very large. The cabin crew members of this company are classified into categories and their CRP is solved sequentially category by category. In this work, we focus on the category of the cabin managers and the FA category which represents the rest of the members. These two categories have a lot in common, for that reason, we propose to use the solution of the cabin managers category in order to speed up the resolution of the FA category because the size of the latter is larger and takes much longer to solve. From the solution of the cabin managers category, we build a set of clusters which groups together the pairing of the FA problem. Each cluster represents a succession of pairings. The set of clusters is used as a target during the resolution of sub-problems of FA category. Only paths in the neighborhood of this set will be generated. This will reduce solving time of the subproblems. Several methods have been proposed in order to build this set of clusters. One of these methods is based on the use of a minimum cost flow algorithm to obtain a set of clusters with minimum cardinality. To resolve the FA category, we propose an improved approach of the column generation method. This approach is based on a neighborhood search method (NSM). This method is implemented at the subproblem level and only generates the columns which are in the neighborhood of the initial set of clusters. Several versions of the NSM have been proposed in order to determine the size of the neighborhood to explore during the resolution of the sub-problems. Among these versions, there is the dynamic one which determines before each resolution of the sub-problems, a maximum distance allowed with respect to the initial set of clusters. This value represents the size of the neighborhood to explore and it is determined according to the number and quality of the columns generated. After testing with the new data, we did not get the expected improvements. This is due to the harmful e˙ects of the dominance heuristic. This heuristic eliminates paths in a quasi-random way during the resolution of the sub-problems. The NSM also allows FA members to have a minimum of change of managers, during the month. This has a positive impact on the productivity of the employee. The NSM did not give very improving results for the company studied because the latter has several characteristics which harm the process of the NSM. For this reason, a refinement of data has been proposed to produce data that have less characteristics which go against NSM which and it is more like other companies data. After testing with the new data, we did not get the expected improvements. This is principally due to the harmful effect of the existing heuristics.


identifier: Ramtoula, B. (2020). Machine Learning for Multi-Robot Semantic Simultaneous Localization and Mapping  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'automatisation et la robotique prennent une place de plus en plus importante dans notre vie quotidienne, avec de nombreuses utilisations possibles. Les robots pourraient nous épargner des tâches dangereuses et pénibles, ou rendre des choses impossibles jusqu'à maintenant possibles. Pour que les robots s'intègrent en toute sécurité dans notre monde et dans de nouveaux environnements inconnus, il est clef qu'ils soient équipés d'une capacité de per-ception, et en particulier qu'ils puissent se localiser par rapport à leur entourage. Afin d'être réellement indépendants, les robots doivent pouvoir le faire en se basant uniquement sur leurs propres capteurs, les plus couramment utilisés étant les caméras. Une solution pour obtenir de telles estimations est d'utiliser un algorithme de cartographie et localisa-tion simultanée (SLAM), dans lequel le robot va simultanément construire une carte de son environnement et estimer son propre état. Le SLAM avec un seul robot a fait l'objet de nombreux travaux scientifiques, et est désormais considéré comme un domaine de recherche mature. Cependant, l'utilisation d'une équipe de robots peut o˙rir plusieurs avantages en termes de robustesse, d'eÿcacité et de performances pour de nombreuses tâches. Dans ce cas, des algorithmes de SLAM multi-robots sont nécessaires pour permettre à chaque robot de bénéficier de l'expérience de toute l'équipe. Le SLAM multi-robot peut s'appuyer sur des solutions SLAM classiques, mais nécessite des adaptations et fait face à des contraintes de calculs et de communications supplémentaires. Un défi particulier dans le SLAM multi-robots est la nécessité pour les robots de trouver des fermetures de boucles inter-robots: des liens entre les trajectoires de di˙érents robots qui peuvent être trouvés lorsqu'ils visitent le même endroit. Deux catégories d'approches sont possibles pour détecter les fermetures de boucles inter-robots. Dans les méthodes indirectes, les robots communiquent pour vérifier s'ils ont cartographié un espace commun, puis tentent de trouver des fermetures de boucles à partir des données recueillies par chacun des robots dans cet espace. Dans les méthodes directes, les robots s'appuient directement sur les données de leurs capteurs pour estimer les fermetures de boucles. Chaque approche a des avantages et des inconvénients, mais les méthodes indi-rectes ont été plus étudiées récemment. Ce mémoire s'appuie sur les avancées récentes de la vision par ordinateur pour présenter des contributions à chaque catégorie d'approches pour la détection de fermetures de boucles inter-robots. Une première contribution est présentée pour la détection de fermetures de boucles indirecte dans une équipe de robots entièrement en communication. Elle utilise des constellations, une représentation sémantique compacte de l'environnement basée sur les objets qui le compose.  ABSTRACT: Automation and robotics are becoming more and more common in our daily lives, with many possible applications. Deploying robots in the world can extend what humans are capable of doing, and can save us from dangerous and strenuous tasks. For robots to be safely sent out in our real world, and in new unknown environments, one key capability they need is to perceive their environment, and particularly to localize themselves with respect to their surroundings. To truly be able to be deployed anywhere, robots should be able to do so relying only on their sensors, the most commonly used being cameras. One way to generate such an estimate is by using a simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithm, in which the robot will concurrently build a map of its environment and estimate its state within it. Single-robot SLAM has been extensively researched and is now considered a mature field. However, using a team of robots can provide several benefits in terms of robustness, eÿciency, and performance for many tasks. In this case, multi-robot SLAM algorithms are required to allow each robot to benefit from the whole team's experience. Multi-robot SLAM can build on top of single-robot SLAM solutions, but requires adaptations and faces computation and communication constraints. One particular challenge that arises in multi-robot SLAM is the need for robots to find inter-robot loop closures: relationships between trajectories of di˙erent robots that can be found when they visit the same place. Two categories of approaches are possible to detect inter-robot loop closures. In indirect methods, robots communicate to find if they have mapped the same area, and then attempt to find loop closures using data gathered by each robot in the place that was jointly visited. In direct methods, robots directly rely on data they gather from their sensors to estimate the loop closures. Each approach has its own benefits and challenges, with indirect methods being more popular in recent works. This thesis builds on recent computer vision advancements to present contributions to each category of approaches for inter-robot loop closure detection. A first approach is presented for indirect loop closure detection in a team of fully connected robots. It relies on constellations, a compact semantic representation of the environment based on objects that are in it. Descriptors and comparison methods for constellations are designed to robustly recognize places based on their constellation with minimal data exchange. These are used in a decentralized place recognition mechanism that is scalable as the size of the team increases. The proposed method performs comparably to state-of-the-art solutions in terms of performance and data exchanges require, while being more meaningful and interpretable.


identifier: Leroy, L. (2020). Modelling Neighborhood-Scale Energy Scenarios  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire porte sur les approches de modélisation pour évaluer le potentiel des réseaux de partage de chaleur de 4ème et 5ème génération. Pour cela, plusieurs outils et techniques de modélisation sont utilisés. La modélisation de bâtiments typiques (i.e. archétypes) est d'abord étudiée, pour ensuite être capable de réaliser des modèles énergétiques de quartier (UBEM, pour Urban Building Energy Model, en anglais), et finalement pouvoir modéliser un réseau de partage d'énergie pour définir l'impact énergétique et environnemental de l'utilisation d'une telle technologie. Différents archétypes (entre 4 et 5 par bâtiment) ont été utilisés (ou créés) pour 4 bâtiments montréalais (3 résidentiels et 1 commercial) dans différents logiciels de simulation énergétique (UMI, EnergyPlus, TRNSYS et SIMEB) avec différents niveaux de détail (jusqu'à un modèle calibré) et différents niveaux d'effort pour sélectionner les paramètres de ces archétypes. Les résultats de simulation ont ensuite été comparés avec des données mesurées, permettant d'effectuer des « coups de sonde » au sein du quartier étudié. Les résultats de cette étude montrent que le niveau d'effort pour définir les paramètres des archétypes n'est pas toujours garant d'une meilleure précision. De plus, il s'est avéré que transférer des paramètres de modèles calibrés (effectués dans TRNSYS ou SIMEB) dans un autre logiciel (ici UMI) se traduit par des résultats de simulation montrant jusqu'à 70 % de différence pour la consommation totale d'énergie, indiquant que les simplifications et approximations conduisent probablement à des erreurs de simulation qui s'annulent entre elles. Après comparaison des résultats des différents archétypes pour un même bâtiment, les archétypes développés par NRCan basés sur les Prototype Buildings développés aux USA et adaptés au code national énergétique canadien des bâtiment 2011 ont été sélectionnés pour la suite du travail. Deux modèles énergétiques urbains ont été développés pour un quartier de l'arrondissement de Ville-Marie à Montréal, suivant 2 approches : une dépendante du contexte (context-dependent), dans UMI et une indépendante de celui-ci (context-free) avec EnergyPlus. La comparaison des résultats de ces UBEMs montrent que les consommations énergétiques et pointes annuelles entre les 2 modèles sont du même ordre de grandeur. Cependant, la dynamique des modèles est très différente. Des doutes sur certains aspects des résultats d'UMI ont conduit à choisir les résultats du context-free UBEM pour la suite de l'étude sur les réseaux de chaleur urbains. D'après les résultats de simulation du UBEM sélectionné, des modèles quasi-statique et dynamique de réseau de chaleur ont été réalisés. Le modèle quasi-statique consiste en des bilans énergétiques régis par des pertes et COP constants, et ses paramètres ont été sélectionnés par l'équipe de projet de l'étude de cas réelle sans connaissance des résultats du modèle détaillé. Le modèle dynamique est un modèle de réseau de chaleur réalisé dans TRNSYS et fait appel à des composants existants ainsi qu'à un nouveau composant développé pour modéliser les pompes à chaleurs centralisées et leurs différents modes d'opération. Au premier abord, les 2 méthodes confirment que l'implémentation d'un réseau de chaleur dans un quartier est bénéfique d'un point de vue énergétique, avec au minimum une diminution de 20 % de la consommation énergétique, et de l'environnement grâce à l'élimination des rejets thermiques dans l'atmosphère et la réduction des émissions de GES d'au moins 90 %. Les deux modèles montrent un excellent accord, ce qui témoigne de la grande expérience de l'équipe de projet qui avait sélectionné les hypothèses du modèle simplifié. La comparaison entre les réseaux de 4ème et 5ème génération montre des différences assez faibles entre les deux, avec un léger avantage pour le réseau de 4ème génération lié en partie aux hypothèses faites sur la disponibilité d'une source / puits de chaleur (les égouts dans notre cas). Les différents modèles développés permettraient de raffiner la conception des réseaux et d'analyser différentes stratégies de contrôle.  ABSTRACT: This thesis focuses on modelling approaches to assess the potential of 4th and 5th generation energy sharing networks. For this purpose, several modelling tools and techniques are used. First, the modelling of typical buildings (i.e. archetypes) is studied, then UBEM (Urban Building Energy Model) approaches, and finally modelling an energy sharing network to define the energy and environmental impact of such a technology. Different archetypes (between 4 and 5 per building) were used (or created) for 4 Montreal buildings (3 residential and 1 commercial) in different energy simulation software (UMI, EnergyPlus, TRNSYS and SIMEB) with different levels of detail (up to a calibrated model) and different levels of effort to select the parameters of these archetypes. The simulation results were then compared with measured data. The results of this study show that more refined archetype's parameters does not always guarantee better accuracy. Moreover, it turned out that transferring parameters from calibrated models (carried out in TRNSYS or SIMEB) to another software (here UMI) results in simulation results showing up to 70% difference in total energy consumption, hinting that simplifications and approximations probably lead to cancelling errors. After comparing the results of the different archetypes for the same building, the archetypes developed by NRCan based on the Prototype Buildings developed in the USA and adapted to the Canadian National Energy Building Code 2011 were selected for further work. Two urban energy models were developed for a neighborhood in the borough of Ville-Marie in Montreal, following two approaches: one context-dependent, in UMI, and one context-free with EnergyPlus. Comparison of the results of these UBEMs shows that the energy consumption and annual peaks between the two models are of the same order of magnitude. However, the dynamics of the models are very different. Doubts on some aspects of the UMI results led to the choice of the UBEM context-free results for the continuation of the study on energy sharing networks. Based on the simulation results of the selected UBEM, we created simple pseudo steady-state and detailed dynamic models of district energy sharing networks. The pseudo steady-state model consists of energy balances governed by constant losses and COP, and its parameters were selected by the project team of the real case study without knowledge of the results of the detailed model. The dynamic model is built in TRNSYS and uses existing components as well as a new component developed to model centralized heat pumps and their different modes of operation. Both methods confirm that the implementation of a district heating network in a district is beneficial from an energy point of view, with at least a 20 % reduction in energy consumption, and from an environmental point of view, eliminating waste heat rejection to the ambient air and reducing GHG emissions by at least 90 %. The two models show excellent agreement, reflecting the extensive experience of the project team that selected the assumptions of the simplified model. The comparison between the 4th and 5th generation networks shows fairly small differences between the two, with a slight advantage for the 4th generation network linked in part to the assumptions made on the availability of a heat source/sink (sewers in our case). The different models developed would allow to refine the design of the networks and to analyse different control strategies.


identifier: Ahabchane, C. (2020). Problèmes de tournées en viabilité hivernale utilisant la prévision des volumes d'épandage  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse combine deux domaines de recherche différents appliqués au déneigement : la recherche opérationnelle et la science des données. La science des données a été utilisée pour développer un modèle de prédiction de quantité de sel et d'abrasif avec une méthodologie d'apprentissage machine; par la suite, ce modèle est pris en compte pour la confection des tournées de véhicules. La confection des tournées a été élaborée en utilisant des outils de la recherche opérationnelle, qui servent à optimiser les tournées en considérant plusieurs contraintes et en intégrant les données réelles. La thèse est le fruit d'une collaboration avec deux villes québécoises, Granby et Saint-Jean-sur- Richelieu. Elle traite une application réelle en viabilité hivernale, qui est l'opération d'épandage. Cette opération est une activité nécessaire, dont le but est d'assurer une meilleure circulation routière. Cependant, cela se réalise avec un coût économique et environnemental important. Par conséquent, la réduction de ce coût devient une grande préoccupation. Cette thèse contribue significativement aux opérations d'épandage : premièrement, nous prédisons la quantité nécessaire de sel et d'abrasif à épandre afin d'éviter le surépandage; deuxièmement, nous optimisons les tournées des opérations d'épandage en considérant la variation de la quantité. La première contribution de cette thèse consiste en un modèle de prédiction des quantités de sel et d'abrasif pour chaque segment de rue et pour chaque heure, en utilisant des algorithmes d'apprentissage machine. L'importance de cette contribution réside d'une part dans l'intégration des données géomatiques avec les données météo-routières, et d'autre part dans l'extraction des variables importantes (feature engineering) pour le modèle de prédiction. Plusieurs algorithmes d'apprentissage machine ont été évalués : (les forêts aléatoires, les arbres extrêmement aléatoires, les réseaux de neurones artificiels, Adaboost, Gradient Boosting Machine et XGBoost). Le modèle élaboré par XGBoost a réalisé une meilleure performance. Le modèle de prédiction permet non seulement de prédire les quantités de sel et d'abrasif nécessaires à épandre mais aussi, d'identifier les variables les plus importantes pour la prédiction. Cette information représente un outil de décision intéressant pour les gestionnaires. L'identification des variables importantes pourrait améliorer les opérations de déneigement. D'après les résultats trouvés, le facteur humain (conducteur) influence significativement la quantité d'épandage; donc, le contrôle de ce facteur peut améliorer considérablement ces opérations. La deuxième contribution introduit un nouveau problème dans la littérature : le problème de tournées de véhicules générales avec capacité dont la quantité de sel et d'abrasif dépend du temps. Le problème est basé sur l'hypothèse que le modèle de prédiction est capable de fournir la quantité d'épandage pour chaque segment et pour chaque heure avec une bonne précision. Le fait d'avoir cette information pour chaque heure et pour chaque segment de rue, introduit la notion du temps dépendant. Le nouveau problème est modélisé à l'aide d'une formulation mathématique sur le graphe original, ce qui présente un défi de modélisation. En effet, il est difficile d'associer des temps de début et de fin uniques à un arc ou à une arête. Une métaheuristique basée sur la stratégie de destruction et construction a été développée pour résoudre les grandes instances. La métaheuristique est inspirée de SISRs (Slack Induction by String Removals). Elle considère la demande dépendante du temps et la présence des arêtes par la méthode d'évaluation basée sur la programmation dynamique. De nouvelles instances ont été créées à partir des instances des problèmes de tournées de véhicules générales avec contrainte de capacité avec demande fixe. Elles ont été générées à partir de différents types de fonction dont la demande dépend du temps. La troisième contribution propose une nouvelle approche, dans le but de présenter le niveau de priorité des rues (la hiérarchie de service) sous forme d'une fonction linéaire dépendante du temps. Le problème présenté dans cette contribution concerne des tournées de véhicules générales hiérarchiques avec contrainte de capacité sous l'incertitude de la demande. Lorsque les données collectées ne permettent pas de développer un bon modèle de prédiction, la notion de demande dépendante du temps n'est plus valide. L'approche robuste a démontré une grande réussite pour traiter et résoudre les problèmes avec incertitude. Une métaheuristique robuste a été proposée pour résoudre les deux cas réels de Granby et de Saint-Jean-sur-Richelieu. La métaheuristique a été validée par un modèle mathématique sur les petites instances générées à partir des cas réels. La simulation de Monte Carlo a été utilisée pour évaluer les différentes solutions proposées. En outre, elle permet d'offrir aux gestionnaires un outil de décision pour comparer les différentes solutions robustes, et aussi pour comprendre le compromis entre le niveau de robustesse souhaité et d'autres mesures de performances (coût, risque, niveau de service).  ABSTRACT: This thesis combines two different fields applied to winter road maintenance : operational research and data science. Data science was used to develop a prediction model for the quantity of salt and abrasive with a machine learning methodology, later this model is considered for building vehicles routing. This route planning was developed using operational research which seeks to optimize routes by looking at several constraints and by integrating real data. The thesis which is the fruit of a collaboration with two Canadian cities Granby and Saint-Jean-sur-Richelieu, deals with a real application in winter road maintenance which is the spreading operation. The spreading operation presents an activity necessary for winter road maintenance, in order to ensure better road traffic. However, this road safety comes with a significant economic and environmental cost, which creates a great concern in order to reduce the economic and environmental impact. This thesis contributes significantly in the spreading operations : firstly, predicting the necessary quantity of salt and abrasive to be spread in order to avoid over-spreading, secondly optimizing the spreading operations routes considering quantity variations. The first contribution of this thesis is to develop a prediction model for the quantities of salt and abrasive using machine learning algorithms, for each street segment and for each hour. The importance of this contribution lies in the integration of geomatic data with weather-road data, and also the feature engineering. Several machine learning algorithms were evaluated (Random Forest, Extremely Random Trees, Artificial Neural Networks, Adaboost, Gradient Boosting Machine and XGBoost); ultimately XGBoost performed better. The prediction model not only predicts the amounts of salt and abrasive needed to spread, but also identifies the most important variables in the model. This information presents an interesting decision-making tool for managers. The identification of important variables could improve snow removal operations. According to the results, the human factor (driver) significantly influences the amount of spreading, so controlling this factor can significantly improve the spreading operations.The second contribution introduces a new problem in the literature : the mixed capacitated general routing problem with time-dependent demand; the problem is based on the assumption that the prediction model is able to provide the amount of spreading for each segment and for each hour with good accuracy. Having this information for each hour and for each street segment introduces the concept of time dependency. The new problem was modeled using a mathematical formulation on the original graph, which presents a modeling challenge since it is difficult to associate a unique starting and ending time to an arc or edge. A meta-heuristic based on the destruction and construction strategy has been developed to solve large-scale instances. The meta-heuristic is inspired by SISRs considers time-dependent demand and the presence of edges by an evaluation method based on dynamic programming. New instances were created from the instances of the mixed capacitated general routing problem with fixed demand; the new instances were generated from different types of function where the demand varies with time. The third contribution proposes a new approach to present the service hierarchy or the priority level of streets, as a time-dependent linear function. The problem addressed in this contribution concerns the hierarchical mixed capacitated general routing problems under demand uncertainty. When the collected data does not allow the development of a good prediction model, the concept of time-dependent demand is no longer valid. The robust approach has demonstrated great success in resolving and dealing with problems with uncertainty. A robust meta-heuristic was proposed to solve the two real cases Granby and Saint-Jean-sur-Richelieu, the meta-heuristic was validated by a mathematical model on small instances generated from the real cases. The Monte Carlo simulation was used, on the one hand, to evaluate the different solutions proposed, and, on the other hand, to offer managers a decision tool to compare the different robust solutions and also to understand the trade-off between the desired level of robustness, and other performance measures (cost, risk, level of service).


identifier: St-Charles, J.-C. (2020). Synthèse et réticulation de polymères énergétiques azoturés  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse présente d'une part le développement détaillé de polyesters énergétiques azoturés et d'outils servant à mettre en forme par réticulation les polymères énergétiques azoturés, et d'autre part, le développement sommaire de quelques polymères énergétiques additionnels obtenus par cycloaddition et des polyélectrolytes de poly(5-vinyltétrazole). Le développement de nouveaux polymères énergétiques s'est effectué par plusieurs mécanismes, à partir de précurseurs commerciaux avec une approche dirigée pour satisfaire des contraintes de sécurité et d'industrialisation fixées à la base du projet. La voie de synthèse privilégiée dans cette thèse détaille la polymérisation par transestérification en masse de diols halogénés avec le diphényl carbonate par un catalyseur neutre, une réaction développée pour éviter l'utilisation du phosgène dans la préparation de polycarbonates halogénés. Ces polymères ont été azoturés dans un solvant polaire en présence d'un catalyseur pour obtenir des polycarbonates azoturés ciblés pour leurs propriétés énergétiques avantageuses. Les polycarbonates obtenus, le poly(2,2'-bisazidométhyl-1,3-propanediyl carbonate) et le poly(3-azido-1,2-propanediyl carbonate) sont des pré-polymères liquides dont les propriétés peuvent être comparées à celles du polyazoture de glycidyle, le seul autre polymère énergétique azoturé produit commercialement  ABSTRACT: This thesis presents the detailed development of energetic azido polyesters and of tools useful in the preparation of cross-linked azido polymers, as well as a summary development of additional energetic polymers obtained from the cycloaddition polymerization between diazides and dialkynes, and polyelectrolytes of poly(5-vinyltetrazole).The development of new energetic polymers was achieved through various mechanisms, starting from commercial precursors with an approach that satisfies the security and economic constraints imposed from the start of the project. The main synthesis route presented details the polymerization by bulk transesterification of halogenated diols with diphenyl carbonate in the presence of a neutral catalyst, a process developed to avoid altogether the use of phosgene in the preparation of halogenated polycarbonates. These polymers can then be substituted by azides in a polar solvent in the presence of a catalyst to afford azido polycarbonates with considerable energetic properties. The polycarbonates obtained are poly(2,2'-bisazidomethyl-1,3-propanediyl carbonate) and poly(3-azido-1,2-propanediyl carbonate), liquid pre-polymers with properties comparable to glycidyl azide polymers, the only other azido polymer available commercially.


identifier: Lenet, Q. (2020). Contrôle décentralisé d'un ensemble de dispositifs de chauffage électrique par commande à champ moyen  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans nombre de pays industrialisés, nous assistons à une transition technologique quant à la manière d'alimenter le réseau électrique. Les sources d'énergie fossiles comme le charbon, le pétrole ou la fission nucléaire sont peu à peu remplacées par les sources dites renouvelables que sont l'énergie solaire, éolienne ou encore hydro-électrique. Si les dispositifs photovoltaïques et éoliens permettent de réduire l'empreinte environnemen-tale de la génération d'électricité et jouissent d'une certaine flexibilité de déploiement, ils sou˙rent d'une forte variabilité de leur production dépendant de facteur environnementaux qu'il est impossible de maîtriser. Ceci peut impacter la stabilité du réseau en périodes de forte consommation, et force également les opérateurs à continuer de compter, au moins par-tiellement, sur des sources de génération à base fossile qui sont plus contrôlables. Une manière possible de lisser la demande en puissance lors des heures critiques est d'uti-liser l'énergie thermique contenue dans les habitations. En baissant la température interne des logements chau˙és par radiateurs électriques, il est possible de faire baisser la demande totale en énergie, surtout lors des mois d'hiver. A contrario, il est possible d'emmagasiner de l'énergie dans ces logements lors d'une période de surproduction. D'autre part, l'avènement de l'internet des objets et le développement des Smart Grids per-met d'obtenir une connaissance plus fine des variations de consommation du réseau de même qu'une plus grande communication entre le fournisseur et les utilisateurs. Nous présentons dans ce mémoire une série d'algorithmes de commande décentralisée sous la forme d'un jeu à champ moyen, pour un ensemble de chau˙e-espace domestiques permettant de répondre à une contrainte de puissance totale allouée à un tel ensemble.La contrainte de puissance est dictée par un agrégateur qui gère le parc de chau˙e-espace. Les algorithmes de commande sont conçus pour répondre au principe selon lequel chaque logement contribue à l'e˙ort selon ses moyens (au sens thermique) dans un souci d'équité. Ainsi, chaque module de chau˙age calcule lui-même l'e˙ort à fournir pour que le groupe entier respecte la contrainte globale de puissance. Conscients des propriétés de robustification que peut apporter la commande intégrale, nous y ajoutons une correction intégrale en temps réel assurant une robustesse du contrôle face aux éventuelles erreurs de modélisation du groupe commandé et de son environnement. Nous testons notre commande en simulant le comportement de populations de logements homogènes et hétérogènes lorsqu'ils sont soumis au contrôleur.  ABSTRACT: In a number of industrialized countries, we are witnessing a transition in the nature of the energy sources sustaining the electricity grid. Fossil energy sources such as coal, oil or nu-clear fission are gradually being replaced by so-called renewable sources such as solar, wind or hydroelectric power. While photovoltaic panels and wind turbines can help reduce the environmental footprint of electricity generation and can be reasonably deployed, they su˙er from a high variability in their production in that it depends on environmental factors that are impossible to control. This can impact the stability of the network during periods of high consumption and forces the utilities to continue to rely, at least partially on more controllable fossil based sources of generation. One possible way of smoothing the power demand during critical hours is to use the thermal energy contained in buildings and private homes. By lowering the internal temperature of homes heated by electric radiators, it is possible to lower the total energy demand, especially during the winter months. Conversely, it is possible to store energy in these dwellings during a period of renewable energy overproduction. On the other hand, the advent of the Internet of Things and the development of Smart Grids makes it possible to obtain a more precise knowledge of variations in network consumption and to increase communication between the power system operator and the users. We present in this master thesis a collection of possible decentralized controllers based on the formulation of a mean-field game involving a population of domestic space heaters which must meet a total power constraint allocation set by an aggregator. The proposed control scheme is designed to meet the principle according to which each dwelling contributes to the e˙ort according to its means (in the thermal sense) in a concern for equity. Thus, each local heating module calculates the e˙ort to be provided so that the whole group complies with the power constraint. Given the robustification properties brought about by integral controllers in general, We add an integral real-time correction to ensure the robustness of the control against possible mod-eling errors of the controlled group and its environment.We test our control algorithms by simulating the behaviour of homogeneous and heteroge-neous housing populations when submitted to the proposed control schemes.


identifier: Bonnet, B. (2020). Caractérisation biomécanique expérimentale du tissu pulmonaire avec et sans agrafes afin de caractériser le phénomène de fuite d'air apparaissant à la suite d'une résection pulmonaire  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Pour traiter les patients atteints d'un cancer du poumon, les chirurgiens thoraciques retirent la tumeur cancéreuse à l'aide d'une agrafeuse chirurgicale. À la suite de cette opération de résection pulmonaire, 28-60% des patients développent une fuite d'air. Cette fuite engendre une augmentation de la durée d'hospitalisation et une augmentation des coûts de soins de santé. Au niveau clinique, la résection des lobes supérieurs entraine des fuites plus conséquentes que la résection des lobes inférieurs. Une seule étude numérique corrobore ce constat clinique et l'explique comme résultant d'une augmentation de la contrainte sur le tissu pulmonaire restant post-résection, qui doit s'adapter à la forme en ogive de la cage thoracique. Très peu d'études se sont intéressées à étudier la cause de ces fuites, cependant quelques études expérimentales déclarent que la fuite se produirait aux extrémités de la ligne d'agrafe et qu'elle serait de nature biomécanique. Ce projet a donc pour objectif de caractériser biomécaniquement et visuellement les tissus pulmonaires avec et sans agrafes afin d'acquérir des connaissances sur les fuites d'air après une résection pulmonaire.  Un banc expérimental a été conçu pour ventiler mécaniquement 11 poumons porcins frais ex vivo. La ventilation cyclique se fait par une pompe à seringue contrôlée en pression remplie d'air. Un microcontrôleur contrôle et enregistre la pression pulmonaire et le volume d'air pompé. Simultanément, deux stéréo-caméras capturent des images à intervalles réguliers de la surface costale déformée des poumons. Les images brutes sont ensuite utilisées pour calculer les déplacements et les déformations tridimensionnelles à l'aide de la méthode de corrélation d'images digitales.   Une première caractérisation a permis d'identifier où se présente la fuite d'air par une observation visuelle et une documentation par photographie de poumons immergés et ventilés. Une deuxième investigation a permis de contrôler puis mesurer les pressions et les volumes en tout temps pour identifier les lobes les plus propices à la fuite ainsi que les conséquences du retrait d'un lobe sur la mécanique pulmonaire via l'évaluation de la compliance (variation de volume en réponse à une variation de pression). Enfin, une combinaison novatrice de la technique de corrélation d'images digitales appliquée sur les poumons ventilés a permis de comparer les patrons de déformation principale, avant et après agrafage, pour déterminer une possible correspondance entre la localisation des fuites et la zone de déformation principale maximale. Les résultats montrent notamment que la fuite d'air se développe au niveau des trous des pattes des agrafes du rang intérieur de la ligne d'agrafe, suite à un déchirement de la plèvre de la surface costale qui expose le tissu pulmonaire. Le lobe inférieur fuit statistiquement plus facilement, i.e. à des pressions moins élevées (p-value<0.046), que le lobe supérieur même dans des conditions ex vivo. Ce résultat concorde avec les observations cliniques et celles de l'étude numérique mais offre aussi un complément d'information puisque le résultat existe même sans l'influence de la cage thoracique. Les conséquences de la chirurgie de résection est évaluée par la compliance. Elle diminue seulement de 9 % entre l'état sain et les états réséqués. Ce résultat contraire à la littérature qui associe la diminution de compliance au volume de tissu réséqué. Enfin, l'étude des patrons de déformation principal montrent que le poumon gonfle en priorité au niveau de ses bords en développant une déformation 6 fois plus élevée que le tissu situé proche de l'arrivée d'air.  L'étude des patrons de déformation en cisaillement montre une répartition non homogène de cisaillements non nul : le poumon ne se déforme pas de manière équibiaxiale comme un ballon de fête. Enfin, la comparaison des mesures de déformation principale avec les localisations de fuites semble corroborer l'hypothèse que la fuite se développe à la suite d'une fracture de la plèvre annoncée par un maximum de déformation proche de la ligne d'agrafe. Ces résultats suggèrent que les patrons de déformations sont essentiels pour comprendre les mécanismes de rupture de la ligne d'agrafe et devraient faire l'objet d'une enquête plus approfondie.  Ce travail expérimental caractérise avec précision la physiologie des fuites d'air post-résection pulmonaire.  Il fournit de nouvelles données à la littérature sur les changements de la compliance pulmonaire, à basse pression, sous ventilation par pression positive. D'autres études devraient viser à valider ces résultats à différentes pressions de ventilation. Les conclusions liées à ces études pourraient influencer les pratiques de pression appliquées aux drains thoraciques postopératoires déjà controversées. L'utilisation de la corrélation d'images digitales appliquée à l'ensemble du poumon est novatrice et fournit des résultats pertinents sur la biomécanique pulmonaire. Les patrons de déformation sont donc essentiels pour comprendre les mécanismes de fuites d'air au niveau des lignes d'agrafes et devraient faire l'objet d'études plus approfondies.  ABSTRACT: To treat patients with lung cancer, thoracic surgeons remove the cancerous tumor using a surgical stapler. Following this lung resection operation, 28-60% of patients develop an air leak. This leakage leads to an increase in the length of hospitalization and increased health care costs. Clinically, resections of upper lobes result in more leakage than resections of lower lobes. A single numerical study corroborates this clinical finding and explains it as a result of increased stress on the remaining lung tissue after resection, which has to adapt to fit the ogive shape of the rib cage. Very few studies have investigated the cause of these leaks, however a few experimental studies state that leaks would occur at the extremities of staple lines and would be biomechanical in nature. The objective of this project is therefore to biomechanically and visually characterize lung tissue with and without staples in order to gain knowledge about air leaks after lung resection.  An experimental bench was designed to mechanically ventilate 11 fresh porcine lungs ex vivo. Cyclic ventilation is performed by a pressure-controlled syringe pump filled with air. A microcontroller monitors and records lung pressure and volume of air pumped. Simultaneously, two stereo-cameras capture images at regular intervals of the deformed costal surface of the lungs. The raw images are then used to calculate the three-dimensional displacements and deformations using the Digital Image Correlation method.   An initial characterization has identified where air leakage occurs by visual observation and photographic documentation of immersed and ventilated lungs. A second investigation made it possible to control and measure pressures and volumes at all times to identify the lobes most likely to leak as well as the consequences of lobectomies on lung mechanics by calculating lungs compliance (variation of volume in response to a variation of pressure). Finally, an innovative combination of the digital image correlation technique applied to ventilated lungs has made it possible to compare the principal strain patterns, before and after stapling, to determine a possible relationship between the location of leaks and the zone of maximum principal strain.  In particular, air leaks develop at staple holes from inner row of staple line, as a result of torn visceral pleura on the costal surface exposing lung tissue. Lower lobes statistically leak more easily, i.e. at lower pressures (p-value<0.046), than upper lobes even under ex vivo conditions. This result is consistent with the clinical and numerical study observations but also provides additional information since it exists even without the influence of the rib cage. The consequences of the resection surgery are evaluated by compliance. It decreases only by 9 % between healthy and resected states. This result is contrary to the literature which associates the decrease in compliance with the volume of resected tissue. Finally, the study of principal strain patterns shows that lung inflates primarily at its edges, developing a strain 6 times higher than the tissue located near the air supply. The study of shear strain patterns shows a non-homogeneous distribution of non-zero shear strains: lung does not deform equibiaxially like a party balloon. Finally, the comparison of principal strain patterns with observed leak locations seems to corroborate our hypothesis that the leak develops following a fracture of the pleura announced by a maximum principal strain close to the staple line. These results suggest that strain patterns are essential to understanding the staple line failure mechanisms and should be further investigated.  This experimental work accurately characterizes the physiology of air leaks after lung resection.  It provides new data to the literature on changes in lung compliance at low pressure under positive pressure ventilation. Further studies should aim to validate these results at different ventilation pressures. These studies findings may influence the already controversial pressure practices applied to postoperative chest drains supposed to reduce the leak. The use of digital image correlation applied to the entire lung is innovative and provides relevant results on lung biomechanics. Strain patterns are therefore essential for understanding the mechanisms of air leaks at staple lines and should be further investigated.


identifier: Edom, É. (2020). Évaluation de l'impact de l'approximation de la fonction de production hydroélectrique sur le calendrier de maintenance de groupes turbo-alternateurs  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'optimisation de l'ordonnancement de la maintenance des groupes turbo-alternateurs est un des principaux leviers disponibles pour augmenter la productivité des sites hydroélectriques. À cause du caractère non linéaire et non convexe de la Fonction de Production Hydroéletrique (FPH), les modèles mathématiques couramment utilisés se basent sur des fonctions simplifiées. Dans ce contexte, l'objectif du présent travail de recherche est d'estimer l'impact de la représentation de la FPH sur le problème d'ordonnancement de la maintenance dans le cas déterministe. Trois modèles ont été étudiés. Dans le premier modèle, la FPH est approximée par des hyperplans. Dans le second, c'est une fonction linéaire par morceaux qui est utilisée. Dans le troisième modèle, la FPH est représentée par un polynôme. Ces trois modèles sont testés sur deux systèmes de centrales hydroélectriques réels : un dans le sud-est du Brésil et l'autre à Saguenay au Canada. Les résultats obtenus confirment que les calendriers de maintenance des groupes turboalternateurs sont influencés par la représentation de la FPH utilisée. Toutefois, malgré des décalages conséquents des tâches de maintenance, les trois approches étudiées fournissent une estimation similaire de l'énergie produite.  ABSTRACT: To increase the productivity of hydroelectric plants, optimization of the maintenance scheduling of turbo-generators is one of the main levers available. Because of the nonlinear and non-convex nature of the HPF, the commonly used mathematical models are simplifying this function. In this context, the objective of this research work is to estimate the impact of the HPF formulation on the maintenance scheduling problem in the deterministic case. Three models have been studied. In the first model, the HPF is approximated by hyperplanes. In the second, a piecewise linear function is used. In the third model, the HPF is represented by a polynomial. These three models are tested on two real hydroelectric power systems: one in southeast Brazil and the other in Saguenay in Canada. The results obtained confirm that the maintenance schedules of the turbo-generators are influenced by the HPF representation used. However, despite significant shifts in maintenance tasks, the three approaches studied provide a similar estimate of the energy produced.


identifier: Disson, B. (2020). Analyse du recours aux correspondances dans un réseau de transport en commun à l'aide des données de cartes à puce  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les sociétés de transport proposent des réseaux de plus en plus vastes et connectés pour répondre efficacement à la diversification des couples origine–destination. Seulement, un itinéraire direct n'étant pas possible pour chaque déplacement, les usagers doivent dans certaines situations recourir à une ou plusieurs correspondances. La correspondance est définie comme le passage d'un véhicule à un autre au cours d'un déplacement. Elle entraîne à la fois un effort physique et mental, une perte de temps et du stress pour les usagers, occasionnant une discontinuité du déplacement et diminuant l'attractivité du transport en commun (TC) au profit d'autres alternatives, notamment l'automobile particulière. Si les sociétés de transport veulent améliorer leur offre de service, il est essentiel de trouver des solutions pour limiter l'impact des correspondances. Afin de proposer des solutions efficaces, il est nécessaire de comprendre comment les usagers ont recours aux correspondances. Historiquement, ces recherches sont réalisées à l'aide d'enquêtes auprès des voyageurs. Elles sont utilisées pour déterminer les attributs qui influencent les usagers dans leurs choix de faire une correspondance. Mais ces méthodes manquent de profondeur, car elles ne permettent pas d'observer les fluctuations de comportement des usagers. L'utilisation des données de cartes à puce apporte de nouvelles possibilités pour ces études, à la fois car l'échantillonnage obtenu est plus large que celui des enquêtes et car ce sont des données spatio-temporelles. Chaque fois qu'un voyageur valide sa carte à puce sur une borne de perception, la transaction est enregistrée avec des informations provenant de la carte et de la borne. Ce mémoire de maîtrise développe une méthodologie universelle d'analyse de l'utilisation des correspondances à l'aide des données de transactions par cartes à puce. Cette méthode est capable de gérer des données récoltées quotidiennement sur l'intégralité d'un réseau multimodal. Pour ses expérimentations, le projet utilise les données de 10 000 cartes à puce de la Société de transport de Montréal (STM), pendant toute l'année 2016. Les cartes ont un abonnement mensuel ou annuel et sont sélectionnées aléatoirement. L'échantillon, non nécessairement représentatif de l'utilisation du réseau de la STM, est constitué de 9 550 725 transactions. L'analyse est construite à travers quatre objectifs. En premier, un algorithme de transformation des transactions en déplacements est créé afin de détecter, comptabiliser et localiser l'ensemble des correspondances faites sur le réseau. Il permet de fournir les jeux de données nécessaires à la suite du projet. En particulier, l'algorithme traite 97,48 % des transactions,fournissant une table de données de 5 887 074 déplacements avec 4 983 278 correspondances. Pour enrichir les données, deux éléments méthodologiques sont utilisés. Premièrement, les déplacements sont catégorisés selon leur composition en correspondances. Une série de modes est attribuée à chaque enregistrement, permettant de décrire avec un seul attribut le nombre de correspondances qui composent le déplacement, ainsi que leurs types et l'ordre dans lequel elles sont réalisées. Ensuite, le réseau est décrit à l'aide d'une typologie des lignes de bus. Chaque ligne est caractérisée selon son niveau de service, sa localisation et ses possibles interactions avec les autres lignes du réseau. Le second objectif s'intéresse à la fluctuation quotidienne de l'utilisation des correspondances. Il est question d'expliquer comment les usagers de l'échantillon ont recours aux correspondances dans leurs déplacements quotidiens. Pour cela, la répartition des déplacements est d'abord étudiée. Elle met en évidence les variations d'utilisations du réseau entre tous les jours de la semaine. Les heures de pointe sont identifiées, montrant un écart entre les jours ouvrés et les jours de fins de semaine. Ensuite, l'analyse de la proportion des déplacements de chaque série de modes par heure montre que le bus et le métro sont autant utilisés (respectivement 33,04 % et 32,51 % des déplacements), mais que le métro est favorisé en pointe alors que le bus est favorisé hors pointe. De même, les usagers de l'échantillon ont tendance à faire plus de correspondances pendant leurs déplacements en pointe. Ensuite, une analyse de la symétrie des déplacements successifs est réalisée. Elle permet de décrire la répartition des activités générées par le TC et révèle que 61,11 % des passagers avec deux déplacements quo-tidiens font un aller-retour, dont 50,09 % avec la même combinaison de lignes dans les deux directions. Enfin, elle témoigne que l'utilisation du bus est plus variable que celle du métro. Pour poursuivre l'analyse de l'utilisation des correspondances, le troisième objectif est la caractérisation du comportement des usagers de l'échantillon. Une segmentation par la méthode des k-moyennes est réalisée sur un vecteur composé séquences de correspondances dans les déplacements quotidiens de chaque carte. Il en résulte sept groupes marqués par une utilisation différente des correspondances dans les déplacements. La variabilité intragroupe montre que les voyageurs favorisant des déplacements avec une correspondance sont moins stables que ceux favorisant des trajets directs (en moyenne respectivement ± 12,07 % contre ± 6,05 %de variation). De plus, une fluctuation plus élevée est observée chez les passagers favorisant le métro plutôt que le bus. Une matrice de probabilité de changement de groupe explique que les usagers favorisent en priorité un mode de transport plutôt qu'un type de correspondance. Ensuite, un regroupement des données en semaines et un diagramme de Sankey illustrent la régularité des passagers de l'échantillon. Ils sont stables pendant les jours ouvrés, mais ont un comportement variable la fin de semaine, où ils se déplacent moins et favorisent davantage bus. Enfin, l'analyse de l'utilisation des lignes permet de positionner géographiquement les groupes. Elle souligne que les voyageurs favorisant le bus sont répartis sur tout le terri-toire de l'Île de Montréal alors que ceux privilégiant le métro restent principalement dans les régions centrales. Enfin, le dernier objectif est la caractérisation de l'utilisation des lignes du réseau. Il s'agit de les étudier afin de détecter celles qui génèrent le plus de correspondances. Un indicateur d'autonomie est créé pour classer les lignes et des graphes sont développés pour représenter schématiquement leurs interactions. Cette étude montre que l'indicateur dépend à la fois du service et de la géolocalisation des lignes. Celles dont l'autonomie est grande sont caractérisées par un service spécifique, une large couverture spatiale ou par peu d'interactions avec le reste du réseau. En moyenne, avec l'échantillon étudié, les lignes de bus sont plus autonomes que les lignes de métro, respectivement 0,68 contre 0,55. De plus, une régression linéaire multiple prouve que l'indice d'autonomie d'une ligne peut être expliqué à l'aide des variables de sa typologie. Cela permet à la fois d'identifier les lignes à prioriser pour augmenter l'offre de service et d'estimer l'influence des futurs parcours proposés. Enfin, à l'aide des graphes il devient possible de localiser les principaux arrêts impliqués dans les correspondances bus – bus et de classer les stations selon leur taux de correspondances bus – métro, métro – bus et métro – métro. Cette visualisation met en évidence les lignes importantes et montre que les stations générant le plus de correspondances sont celles situées sur les grands boulevards et aux terminus. En conclusion, ce mémoire contribue à l'amélioration des méthodes d'analyses comportementales des usagers en incluant dans les modèles existants la prise en compte des correspondances effectuées. Il fournit une nouvelle méthodologie de traitement des données de cartes à puce apportant des connaissances sur l'impact des correspondances, à la fois sur le réseau et sur ses usagers. Toutefois, des limites techniques liées au manque d'informations disponibles dans les données brutes et au développement du modèle offrent de nouveaux défis à relever et des perspectives d'études élargies.  ABSTRACT: Transit organizations offer connected and large networks to effectively answer the diversification of origin – destination pairs. But because a direct trip is not always possible, travelers must sometimes use several transfers to reach their destination. A transfer is defined as the change from a vehicle to another during a trip. It generates a physical and mental e˙ort, a waste of time as well as some stress for users. All of which induce a trip discontinuity and reduce the attractiveness of public transportation in favor of other alternatives, especially private cars. If public transit agencies want to improve their service, it is fundamental for then to find solutions to reduce the impacts caused by transfers within the networks. In order to propose eÿcient solutions, it is necessary to understand how travelers use transfers. Historically, such researches are achieved with passenger surveys. They are conducted to determine the attributes that influence the choice to make a transfer for users. But those methods are limited because they do not allow to observe passengers behaviors fluctuations. The use of smart card data brings new possibilities for these studies, both because the sample is larger and because data are spatiotemporal. Each time a traveler validates his card on a fare collection device, the transaction is registered with information from the card and the device. This master's thesis develops a global methodology to analyse the use of transfers through smart cards fare collection data. This method is able to handle daily recorded data from an entire network. The practical applications are made from data of 10,000 smart cards from the Société de transport de Montréal (STM) for the year 2016. These cards have a monthly or a yearly subscription and are randomly selected. The sample, not necessarily representative of the use of the STM's network, is made up of 9,550,725 transactions. The analysis is built around four objectives. The first is the development of an algorithm to transform the original transaction database into a trip database, in order to detect, count and locate all the transfers made into the network. It allows to construct the databases useful for the rest of the project. Particularly, the algorithm processes 97.48 % of the transactions, giving 5,887,074 trips with 4,983,278 transfers. To enrich the databases, two methodological elements are used. First, trips are put into categories according to their transfers composition. A sequence of modes is assigned to each trip, allowing to know with only one attribute the number of transfers, as well as their types and the order in which they are made. Afterwards, the network is described using a bus line typology. Each line is characterized according to its level of service, its location and the feasible connections with the other lines of the network. The second objective takes an interest in the daily fluctuation of the use of transfers. It is about explaining how travelers from this sample resort to transfers in their daily trips. To do so, the distribution of trips is firstly studied. It highlights the variations in the network use. The peak times are identified, showing a difference between weekdays and weekends. Then the analysis of the proportion of trips according to the time of the day and the sequence of modes reveals that the bus and the metro (subway) are equally used in this sample, with respectively 33.04 % and 32.51 % of the trips. But the metro is privileged during the peak periods while the bus is privileged during off-peak periods. Likewise, users in this sample tend to do more transfers during the peak periods. Next, the symmetry between successive trips is considered. It allows to describe the distribution of activities generated by public transit and reveals that 61.11 % of passengers from this sample with two trips in a day use it to make return trips, among which 50.09 % with the same combination of lines in both directions. Finally, it shows that in this sample there are more fluctuation in the bus utilisation than in the metro utilisation.To continue the analysis of the use of transfers, the third objective is the description of the passengers behaviors. One segmentation with the k-means method is made on a vector built with the daily trips types from each card. This leads to seven clusters showing a di˙erent use of transfers in the trips. The within-group variability proves that in this sample, users who favor trips with one transfer are less stable than the ones which favor directs trips (on average respectively ± 12.07 % to ± 6.05 % of variation). Additionally, a higher fluctuation is observed among travelers that privilege the use of metro rather than the bus. A group change probability matrix explains that users from this sample favor in priority a transportation mode rather than a transfer type. Then, a data merging from days to weeks and a Sankey diagram illustrate the passengers' regularity. They are stable within the weekdays but adopt a different behavior in the weekend, when they make fewer trips and favor the use of the bus. Finally, the analysis of the lines used allows to determine the geographical position of the clusters. It highlights that travelers who favor the bus are distributed all around the island of Montreal while the ones who favor the metro stay primarily in the central areas. Finally, the last objective is the characterization of the network use. It is about studying the lines in order to detect the ones that generate more transfers. An independence indicator is created to rank the lines and graphs are developed to schematically represent the interactions between them. This study shows that the independence is linked to both the service and the geolocation of the lines. The ones with the highest independence indicator are the ones defined by a specific service, a large coverage or by few interactions with the rest of the network. On average from this sample, bus lines are more independent than the metro ones, respectively 0.68 to 0.55. Furthermore, a multiple linear regression proves that the independence indicator of a line can be explained using the variables of its typology. This allows both to determine which lines to prioritize to provide a better service and to estimate the influence of future routes. Last, lines needing an improvement are deduced from the graphs and some solutions are listed. It is then possible to identify the principal stops used for bus to bus transfers and to classify each subway station according to its bus to metro, metro to bus and metro to metro transfers ratios. This view highlights important lines and shows that stations who generate the most transfers are located on the main boulevards and on terminuses. To conclude, this master's thesis contribute to the improvement of the methods to analyse users behavior, by including in the existing models the consideration of the transfers realized. It provides a new methodology to process smart cards fare collection data bringing knowledge about the impact of transfers, both on the network and its travelers. Nevertheless, technical limitations linked with the lack of information in the original database and the model's development o˙er new challenges and perspectives for future research.


identifier: Santiago dal Silva, J. (2020). Fully Programming the Data Plane: A Hardware/Software Approach  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: ABSTRACT: Software-Defined Networking (SDN) has emerged in recent years as a new network paradigm to de-ossify communication networks. Indeed, by offering a clear separation of network concerns between the management, control, and data planes, SDN allows each of these planes to evolve independently, breaking the rigidity of traditional networks. However, while well spread in the control and management planes, this de-ossification has only recently reached the data plane with the advent of packet processing languages, e.g. P4, and novel programmable switch architectures, e.g. Protocol Independent Switch Architecture (PISA). In this work, we focus on leveraging the PISA architecture by mainly exploiting the FPGA capabilities for efficient packet processing. In this way, we address this issue at different abstraction levels: i) microarchitectural; ii) programming; and, iii) architectural. At the microarchitectural level, we have proposed an efficient FPGA-based packet parser architecture, which is a major PISA's component. The proposed packet parser follows a feedforward pipeline architecture in which the internal microarchitectural has been meticulously optimized for FPGA implementation. The architecture is automatically generated by a P4- to-C++ compiler after several rounds of graph optimizations. The proposed solution achieves 100 Gb/s line rate with latency comparable to hand-written packet parsers. The throughput scales from 10 Gb/s to 160 Gb/s with moderate increase in resource consumption. Both the compiler and the packet parser codebase have been open-sourced to permit reproducibility. At the programming level, we have proposed a novel High-Level Synthesis (HLS) design methodology aiming at improving software and hardware quality. We have employed this novel methodology when designing the packet parser. In our work, we have exploited features of modern C++ that improves at the same time code modularity and readability while keeping (or improving) the results of the generated hardware. Design examples using our methodology have been publicly released.  ABSTRACT: Software-Defined Networking (SDN) has emerged in recent years as a new network paradigm to de-ossify communication networks. Indeed, by offering a clear separation of network concerns between the management, control, and data planes, SDN allows each of these planes to evolve independently, breaking the rigidity of traditional networks. However, while well spread in the control and management planes, this de-ossification has only recently reached the data plane with the advent of packet processing languages, e.g. P4, and novel programmable switch architectures, e.g. Protocol Independent Switch Architecture (PISA). In this work, we focus on leveraging the PISA architecture by mainly exploiting the FPGA capabilities for efficient packet processing. In this way, we address this issue at different abstraction levels: i) microarchitectural; ii) programming; and, iii) architectural. At the microarchitectural level, we have proposed an efficient FPGA-based packet parser architecture, which is a major PISA's component. The proposed packet parser follows a feedforward pipeline architecture in which the internal microarchitectural has been meticulously optimized for FPGA implementation. The architecture is automatically generated by a P4- to-C++ compiler after several rounds of graph optimizations. The proposed solution achieves 100 Gb/s line rate with latency comparable to hand-written packet parsers. The throughput scales from 10 Gb/s to 160 Gb/s with moderate increase in resource consumption. Both the compiler and the packet parser codebase have been open-sourced to permit reproducibility. At the programming level, we have proposed a novel High-Level Synthesis (HLS) design methodology aiming at improving software and hardware quality. We have employed this novel methodology when designing the packet parser. In our work, we have exploited features of modern C++ that improves at the same time code modularity and readability while keeping (or improving) the results of the generated hardware. Design examples using our methodology have been publicly released.