identifier: Dessevre, G. (2021). Contrôle du paramètre Decoupled Lead Time (DLT) et des temps de réponse dans un système piloté en DDMRP  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La méthode Demand Driven Material Requirements Planning (DDMRP) est une méthode récente de gestion de la production, intégrant différents principes du génie industriel tels que le flux poussé, le flux tiré, l'utilisation de stocks tampons, ou encore le mécanisme des méthodes à point de commande. En combinant ces éléments, les auteurs du DDMRP affirment que leur méthode est la solution aux limites des méthodes traditionnelles de gestion de la production. Un des paramètres les plus importants du DDMRP est le Decoupled Lead Time (DLT). Il est défini comme le temps que l'on alloue aux ordres de fabrication pour être complétés. Le temps réellement mis pour fabriquer un ordre est appelé temps de réponse. Ainsi, si le temps de réponse d'un ordre est plus grand que le DLT, l'ordre est alors terminé en retard et l'on risque des ruptures de stocks. De plus, ce paramètre sert à dimensionner les stocks tampons qui génèrent les ordres de fabrication. Par conséquent, le DLT est également relié aux niveaux de stocks de l'entreprise. Il est donc intéressant de réduire au maximum ce paramètre, pour éviter des coûts de stockage inutiles. C'est ainsi qu'apparaît le compromis autour du dimensionnement du DLT, enjeu principal de cette thèse : d'un côté on cherche à dimensionner le DLT assez grand pour que les temps de réponse y soient le plus souvent possible inférieurs ou égaux, et de l'autre on cherche à diminuer au maximum ce paramètre pour réduire les coûts liés aux stocks. Le DLT est alors relié à deux indicateurs de performances clés en gestion de la production : le taux de service client et le niveau des stocks. Notre objectif général est donc d'améliorer les performances des ateliers de production pilotés par la méthode DDMRP, en proposant des outils de maîtrise des temps de réponse ou d'ajustement du paramètre DLT. Après avoir fait le tour des publications sur les différents sujets abordés et réalisé une revue de la littérature permettant de définir trois objectifs spécifiques de recherche différents, nous utilisons un protocole expérimental basé sur la simulation à évènements discrets pour atteindre ces objectifs, car elle permet de modéliser des environnements complexes soumis à de fortes variabilités. Nous proposons dans un premier temps une boucle de régulation permettant d'ajuster dynamiquement le paramètre DLT en fonction des temps de réponse observés dans l'atelier. Nous utilisons par la suite la simulation pour créer des abaques d'aide à la décision. Ces outils permettent de choisir la meilleure option possible de capacité pour une demande prévisionnelle donnée. L'idée étant de maîtriser les temps de réponse en contrôlant le taux de charge des ressources goulots. Enfin, nous couplons le DDMRP à la méthode Constant Work-In-Process (ConWIP) pour créer un modèle de génération des ordres de fabrication plus robuste que la méthode DDMRP classique. Notre modèle prend en compte la variabilité de la demande et celle de la production pour adapter les tailles de lot de fabrication, et ainsi lisser la charge et fluidifier l'atelier. Les principaux résultats de nos travaux de recherche sont la démonstration que lorsque des ordres de fabrication utilisent la même ressource goulot, leurs temps de réponse sont sensiblement les mêmes. Par conséquent, le paramètre DLT des stocks tampons de produits doit être le même pour tous. De plus, l'ajustement dynamique de ce paramètre permet de réduire les niveaux de stocks, notamment lors d'un mauvais paramétrage initial. Ensuite, il paraît plus judicieux de chercher à maîtriser les temps de réponse plutôt que d'ajuster le DLT. Cette maîtrise passe par le contrôle du taux de charge des ressources goulots. C'est pourquoi nous proposons des outils visuels d'aide à la décision permettant d'identifier les meilleures options d'ajustement de la capacité. Ces outils permettent de corréler le taux de charge des ressources, la distribution des temps de réponse, le paramètre DLT, et les taux de service atelier et client. Enfin, le couplage des méthodes DDMRP et ConWIP permet d'ajuster automatiquement la taille des lots de fabrication en fonction de l'état de l'atelier, fluidifiant ce dernier. Ce couplage rend plus robuste le système et offre de meilleures performances que la méthode DDMRP classique, en termes de volume d'en-cours, de distribution des temps de réponse, et de taux de service.  ABSTRACT: The Demand Driven Material Requirements Planning (DDMRP) method is a recent production management method that integrates various industrial engineering principles such as push flow, pull flow, the use of inventory buffers, and the mechanism of reorder point methods. By combining these elements, the authors of DDMRP claim that their method is the solution to the limitations of traditional production management methods. One of the most important parameters of DDMRP is the Decoupled Lead Time (DLT). It is defined as the time that production orders are allowed to be completed. The time actually taken to produce an order is called flow time. Thus, if the flow time of an order is greater than the DLT, the order is completed late and there is a risk of stock-outs. Moreover, this parameter is used to size the stock buffers that generate the production orders. Consequently, the DLT is also linked to the company's inventory levels. It is therefore interesting to reduce this parameter as much as possible, to avoid unnecessary storage costs. This is how the compromise around the DLT dimensioning appears, which is the main issue of this thesis: on the one hand, we try to dimension the DLT large enough so that the flow times are as often as possible lower than or equal to the DLT, and on the other hand, we try to reduce as much as possible this parameter to reduce the costs related to the stocks. Our objective is therefore to propose methods allowing either to control the flow times so that they are lower than the DLT, or to adjust the DLT accordingly. After having surveyed the literature on the different topics and performed a critical review of the literature to define three different research objectives, we use an experimental protocol based on discrete event simulation to achieve these objectives, as it allows to model complex environments subject to high variability. First, we propose a control loop that dynamically adjusts the DLT parameter according to the real times observed in the workshop. We then use simulation to create decision support charts. These tools allow to choose the best possible capacity option for a given forecasted demand. The idea is to control the flow times by controlling the load rate of bottleneck resources. Finally, we couple DDMRP to the Constant Work-In-Process (ConWIP) method to create a more robust model for generating production orders than the classical DDMRP method. Our model takes into account the variability of demand and production to adapt the manufacturing batch sizes, thus smoothing the load and making the shop floor more fluid. The main results of our research are the demonstration that when production orders use the same bottleneck resource, their flow times are approximately the same. Therefore, the DLT parameter of the product buffers must be the same for all. Moreover, the dynamic adjustment of this parameter makes it possible to reduce the stocks, in particular at the time of a bad initial parameter setting. Secondly, it seems more sensible to try to control the flow times rather than adjusting the DLT. This control is achieved by controlling the load rate of bottleneck resources. This is why we propose visual decision support tools to identify the best capacity adjustment options. These tools allow to correlate the resource load rate, the flow time distribution, the DLT parameter, and the workshop and customer service rates. Finally, the coupling of DDMRP and ConWIP methods allows for the automatic adjustment of batch sizes according to the state of the shop floor, making the shop floor more fluid. This coupling makes the system more robust and offers better performance than the traditional DDMRP method, in terms of WIP volume, flow time distribution, and service rate.


identifier: Mehri Dehnavi, M. (2021). Beam Shaping and Beam Scanning of C-Band Circularly Polarized Dual Reflector Antenna Using Reconfigurable Subreflector  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif général de ce projet est d'étudier des solutions pour réaliser la formation et le dépointage du faisceau pour les antennes satellites en vol. La plupart des satellites actuels ont des antennes à gain élevé conçues avec des réflecteurs paraboliques. Dans ces antennes, la reconfigurabilité est réalisée avec des structures mécaniques volumineuses (encombrant) et lentes, c'est-à-dire, avec des systèmes de cardan (support tournant) pour le dépointage du faisceau et la permutation du sous-réflecteur pour la formation du faisceau. Dans ce projet, notre objectif est de proposer une antenne à double réflecteur avec une parabole principale et une surface réfléchissante périodique reconfigurable comme sous-réflecteur qui permettra une modulation spatiale de phase (appelée sous-réseau réflecteur). Les avantages souhaités de l'antenne proposée par rapport aux systèmes existants seront la plus grande flexibilité de reconfigurabilité, c'est-à-dire permettant une couverture "arbitraire", une vitesse et une légèreté. Cependant, il existe de nombreux défis pour trouver une solution qui conservera les caractéristiques souhaitées des systèmes de réflecteurs existants, telles qu'une faible polarisation croisée, une bande passante suffisante, et une efficacité énergétique élevée. De plus, le système d'antenne proposé devra fonctionner en polarisation circulaire pour répondre aux exigences des systèmes satellitaires modernes. Cela nécessitera la conception de cellules réflectrices spéciales. Les éléments passifs conçus pour être entraînés par des micromoteurs réalisant la technique de rotation variable pour atteindre un réglage de phase complet de 360° sont sélectionnés pour le sous-réflecteur. La structure proposée dans ce travail balaye et forme le faisceau avec le petit sous-réseau réflecteur sans utiliser d'éléments électroniques de formation de faisceau RF, ce qui conduit à avoir la structure avec moins de perte d'insertion et moins de circuit de polarisation en courant continu (CC). Dans le système à double réflecteur proposé, le balayage du faisceau est fourni en appliquant les techniques de focalisation en champ proche (NFF) et de décalage de phase progressif (PPS). Dans la technique NFF, le balayage du faisceau est assuré en déplaçant la source virtuelle créée par le sous-réflecteur du point focal du réflecteur principal. En appliquant la technique PPS, le balayage du faisceau est fourni en appliquant un déphasage progressif sur la surface du réflecteur.  ABSTRACT: The general objective of this project is to study solutions to allow beam steering and beam shaping for in-flight satellite antennas. Most current satellites have high gain antennas designed with parabolic reflectors. In these antennas, reconfigurability is accomplished with bulky and slow mechanical structures, e.g. gimbal systems for beam steering and sub-reflector permutation for beam shaping. In this project, our objective is to propose a dual-reflector antenna with a main parabolic dish and a reconfigurable periodic reflecting surface as the subreflector that will allow spatial phase modulation (so-called sub-reflectarray). Desired advantages of the proposed antenna over existing systems will be the greater flexibility in reconfigurability, i.e. allowing "arbitrary" coverage, speed, and lightweight.  However, there are many challenges to find a solution that will keep the desired features of existing reflector systems, such as low cross-polarization, sufficient frequency bandwidth, sustainability in the harsh space environment, and high power efficiency.  Furthermore, the antenna system proposed will have to operate in circular polarization to meet the requirement of modern satellite systems. This will require the design of special reflectarray cells. The passive elements with full phase adjustment of 360° using variable rotation technique are selected for the sub-reflectarray, which are designed to be driven by micromotors. The proposed structure in this work scans and shapes the beam with the small sub-reflectarray without using electronic RF beamformer elements, which leads to having the structure with less insertion loss and less DC biasing in the network. In the proposed dual-reflector system, beam scanning is provided by applying Near-Field Focusing (NFF) and Progressive Phase Shift (PPS) techniques. In the NFF technique, beam scanning is provided by displacing the virtual source created by the subreflector from the focal point of the main reflector. By applying the PPS technique, beam scanning is provided by applying progressive phase shift on the reflectarray surface. NFF technique has some advantages in terms of lower cross-polarization and wider scanning range compared to the PPS technique.


identifier: Jebali, R. (2021). Estimation des courbes de tarage et de leurs incertitudes pour les cours d'eau du Québec méridional  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les mesures de débits des cours d'eau sont très importantes dans plusieurs domaines en hydrologie, en génie civil et en aménagement du territoire, par exemple pour la cartographie des plaines inondables. Cependant, il est impossible de mesurer le débit facilement et en temps réel. Alors, la hauteur du cours d'eau est mesurée et l'estimation du débit est obtenue avec une relation hydraulique hauteur–débit appelée courbe de tarage. Cependant, ces courbes sont sujettes à des incertitudes importantes : les imprécisions des jaugeages, l'instabilité géomorphologique de la rivière et l'estimation des paramètres de la courbe. Par conséquent, l'estimation de ces incertitudes est une étape cruciale pour l'utilisation de ces courbes. Notamment, après les inondations exceptionnelles vécues au Québec au printemps 2017, un grand projet a été lancé en collaboration avec plusieurs partenaires partenaires qui s'appelle "INFO-Crue". Ce projet vise à mettre à jour les cartes des zones inondables. Ce mémoire vient à contribuer dans ce projet et il a pour but de développer une méthode d'estimation des courbes de tarage spécialement adaptée aux stations hydrométriques du Québec méridional et permettant une prise en compte rigoureuse des incertitudes correspondantes. Ce mémoire répond à cet objectif en développant une méthodologie adaptée pour 15 stations hydrométriques représentatives des différentes caractéristiques du réseau hydrométrique du Québec méridional. Plus spécifiquement, cette méthodologie consiste à estimer les courbes de tarage en se basant sur la relation hydraulique hauteur–débit dans l'espace logarithmique. Cette estimation est effectuée par la méthode des moindres carrés adaptée de la méthode ISO/WMO. La méthode développée constitue un outil efficace pour estimer les courbes de tarage et les incertitudes correspondantes aux prédictions du débit. La méthode développée permet d'ajouter les incertitudes sur les débits mesurés dans l'estimation des débits prédits, ce que ne permet pas la méthode ISO/WMO. Finalement, la méthodologie permet l'estimation de l'incertitude de tous les paramètres de la courbe de tarage en utilisant une méthode de bootstrap non paramétrique, encore une fois ce que ne permet pas la méthode ISO/WMO. La méthode a été appliquée à 15 stations hydrométriques du Québec et elle a permis de modéliser adéquatement la relation hauteur–débit ainsi que les incertitudes correspondantes.  ABSTRACT: Streamflow measurements are very important in several areas of hydrology, civil engineering, and urban development, for example for mapping flood plains. However, it is impossible to measure the discharge easily and in real time. Hence, the stage of the streamflow is measured, and the estimate of the discharge is obtained with a hydraulic stage-discharge relationship called the rating curve. However, these curves are subject to important uncertainties: the inaccuracies of the gauges, the geomorphological instability of the river and the estimation of the parameters of the curve. Therefore, estimating these uncertainties is a crucial step in using these curves. In particular, after the exceptional floods experienced in Quebec in the spring of 2017, a big project was launched in collaboration with several partnerships called "INFO-Crue". This project aims to update the maps of flood zones. This work contributes to this project and its aim is to develop a method for estimating rating curves specially adapted to hydrometric stations in southern Quebec and allowing rigorous consideration of the corresponding uncertainties. This work responds to this objective by developing a methodology adapted for 15 hydro-metric stations representative of the different characteristics of the hydrometric network of southern Quebec. More specifically, this methodology consists in estimating the rating curves based on the hydraulic stage-discharge relationship in logarithmic space. This estimate is made by the least squares method adapted from the ISO / WMO method. The developed method constitutes an effcient tool for estimating the rating curves and the uncertainties corresponding to the discharge predictions. It allows to add the uncertainties of measurement in the estimation of the predicted discharge, which the ISO / WMO method does not allow. Finally, the methodology allows the estimation of the uncertainty of all the parameters of the rating curve using a nonparametric boostrap method, what the ISO / WMO method does not allow as well. The method was applied to 15 hydrometric stations in Quebec, and it al-lowed us to adequately model the stage - discharge relationship as well as the corresponding uncertainties.


identifier: Lefebvre-Ropars, G.-L. (2021). Méthodologie d'évaluation du partage spatiotemporel de la rue  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De plus en plus de documents de planification, au Québec et ailleurs, contiennent des objectifs relatifs à l'amélioration du partage de la rue entre ses divers usagers : piétons, cyclistes, usagers du transport collectif, automobilistes, notamment. Plusieurs démarches visent également à rétablir un équilibre entre les différentes dimensions de la rue : la rue comme lien, c'est-à-dire comme espace dédié à la mobilité, mais aussi la rue comme lieu, c'est-à-dire comme espace d'activités, ainsi que la rue comme espace accueillant des fonctions environnementales. Ce partage de l'espace de la rue est le produit d'un arbitrage politique, administratif et technique entre les divers modes, arbitrage sous-tendu par des principes implicites ou explicites d'équité. De plus, le partage de l'espace urbain est changeant : il varie selon l'heure de la journée, le jour de la semaine et la période de l'année. Toutefois, peu de méthodes d'évaluation et d'indicateurs de suivi ont été proposés pour assurer la mise en oeuvre des objectifs publics en matière de partage de la rue. Alors même que les pouvoirs publics investissent des sommes colossales dans le réaménagement des infrastructures urbaines dans le but d'en améliorer le partage, il n'existe toujours pas de mesures à grande échelle pour étudier le caractère équitable de ce partage et pour en assurer le suivi dans le temps. Quelques méthodes ont été proposées, mais toutes ces méthodes dépendent de relevés effectués sur le terrain ou encore d'une classification manuelle des surfaces à l'aide de photos satellites. Il n'existe ainsi, à l'heure actuelle, aucune méthode systématique pour effectuer le diagnostic du partage de l'espace de la rue à l'échelle d'un territoire urbain. Le partage de l'espace urbain reste donc un concept difficile à définir, à mesurer et à évaluer dans le temps.  ABSTRACT: More and more planning documents, in Québec and elsewhere, aim to reallocate street space between the various users of the street, namely pedestrians, cyclists, public transit riders and motorists. Several approaches also aim to restore a balance between the different dimensions of the street: the street as a link, i.e., a space dedicated to mobility, but also the street as a place, i.e., an activity space, as well as the street as a space dedicated to environmental functions. The allocation of street space is the product of a political, administrative and technical arbitration between the various modes and uses of the street, an arbitration underpinned by implicit or explicit principles of justice. In addition, the allocation of urban space is not fixed: it varies according to the time of day, the day of the week and the time of year. However, few evaluation methods and monitoring indicators have been proposed to oversee the realization of public goals in terms of street space reallocation. Even though authorities invest colossal sums in the redevelopment of urban streets, there are still no generalizable measures to study the equitable nature of these reallocation operations and to ensure their fairness or to monitor their evolution over time. A few methods have been proposed, but they depend on surveys carried out in the field or on a manual classification of surfaces using satellite photos. At the present time, there is no systematic method for carrying out the diagnosis of the sharing of street space at a city scale. The equity of street space allocation therefore remains a difficult concept to define, measure and evaluate over time.


identifier: Wang, L. (2021). Synthesis and their Theranostic Applications of Plasmonic Gold-Silver Alloy Nanoparticles and Porous Nanostructures  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La recherche sur les nanoparticules (NP) métalliques plasmoniques est florissante au cours des dernières décennies. Parmi les NP plasmoniques, les NPs d'or (Au) et d'argent (Ag) et d'autres métaux nobles sont les plus étudiées en raison de leurs propriétés optiques exceptionnelles et de leur polyvalence. Leur interaction avec la lumière, la diffusion et la concentration de la lumière à proximité de la particule augmentent leur contraste sous illumination, ainsi que l'amélioration du champ de surface proche a permis la détectabilité dans le champ proche. Ces propriétés uniques peuvent promouvoir et permettre des applications dans divers domaines, notamment l'imagerie et la détection biomédicales, le domaine énergétique pour les cellules solaires et les catalyseurs ainsi que le stockage et le cryptage d'informations.  Certes, les NPs Au et Ag ont été exploitées dans diverses applications, tandis que leur alliage avec une autre dimension d'ajustabilité offre plus d'opportunités. Le rapport de composition réglable permet des propriétés optiques réglables, résultant directement en des couleurs contrôlables, et peut être appliqué pour la construction de structures plus complexes. Sur la base de la dépendance structurelle des propriétés optiques, diverses nanostructures et le contrôle de la synthèse ont été explorés. Les NP plus grandes (> 50 nm) avec une forte diffusion et une capacité d'amélioration ont été synthétisées par notre précédent collègue David Rioux, ce qui a ouvert la voie à leur utilisation en imagerie et potentiellement pour d'autres applications. Sur la base de l'approche de synthèse déjà publiée, il y a plus d'optimisation à faire pour un contrôle fin, ce qui facilite des applications plus pratiques. En outre, l'applicabilité de l'imagerie doit être prouvée dans des diagnostics pratiques tels que des tests de cytopathologie clinique. De plus, les NP Au-Ag de dimension et de composition ajustables contiennent un potentiel beaucoup plus important dans la construction de structures irrégulières, ce qui peut apporter des propriétés plus sophistiquées et une plus grande multifonctionnalité. L'amélioration du champ est la propriété la plus attendue des NP plasmoniques, et l'amélioration amplifie fortement le signal du champ proche, ce qui entraînerait des sondes ou des détecteurs sensibles.  ABSTRACT: The research on plasmonic-metal nanoparticles (NPs) is thriving during the last several decades. Among plasmonic NPs, gold (Au) and silver (Ag) NPs and other noble metals are the most studied due to their exceptional optical properties and versatility. Indeed, upon their interaction with light, strong scattering and concentration of light near the particle can boost their contrast in imaging, as well as the near surface field enhancement enabled the detectability in the near field. These unique properties can promote and enable applications in diverse fields, including biomedical imaging and sensing, energy for solar cells and catalysts as well as information storage and encryption.      Even if Au and Ag NPs have been exploited in various applications, the synthesis of their alloys open up another dimension of adjustability, thus offering more opportunities. Indeed, the regulatable composition ratio enables tunable optical properties, directly resulting in controllable colors, and can be applied for more complexed structure building. Based on the structure dependence of optical properties, various nanostructures and the control of synthesis have been explored. The larger (> 50 nm) NPs with strong scattering and enhancing ability has been synthesized by our previous colleague David Rioux, which opened the window for the new strategies in imaging and other applications. Based on the published synthesis approach, more optimization is needed for finely control the process and nanostructures propreties, thus facilitating more practical applications. Indeed, for example, the imaging applicability has to be proven in practical diagnostics such as clinical cytopathology tests. Moreover, the Au-Ag NPs with adjustable dimension and composition contain much greater potential in irregular structure building, which may bring more unique properties and multifunctionality. In addition, the field enhancement is the most anticipated property of the plasmonic NPs, and the enhancement strongly amplifies the signal from near field, which would result in sensitive probes or detectors.   This thesis focuses on the optimization of Au-Ag alloy NPs synthesis, and the multiplexing applications of the solid NPs; exploring surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) probing by structural design with Au-Ag alloy NPs and their potential for multifunctional platform.    The first part of this thesis focuses on the optimization the synthesis through studying the detailed mechanism of seeded growth and coreduction of Au-Ag. To facilitate further applications, the standard synthesis approach and the precise control on the size and composition has been developed in details.


identifier: Reali, M. (2021). Eumelanin for Organic Electronics : Film Formation and Transport Physics  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les Nations unies ont défini le développement durable comme "la capacité de répondre aux besoins des générations actuelles sans compromettre ceux des générations futures [...]"1. L'accès à une énergie propre et peu coûteuse est primordial pour atteindre le développement durable à l'échelle mondiale. Les formidables progrès technologiques des dernières décennies, parallèlement à un pouvoir d'achat élevé, à une urbanisation et une industrialisation croissante, ont élargi l'accès à l'électronique grand public, entraînant une demande croissante d'équipements électriques et électroniques (EEE). La croissance rapide de la demande du marché donne lieu à des processus de fabrication qui ne sont pas durables en termes de flux de déchets électroniques (e-déchets ou DEEE), d'épuisement d'éléments chimiques clés, de consommation d'énergie et d'écotoxicité. Dans ce scénario, l'électronique organique verte (dite durable) pourrait constituer une voie prometteuse pour atténuer l'empreinte écologique de l'électronique.   L'électronique organique verte est basée sur l'utilisation de matériaux organiques à base de carbone biosourcés (c'est-à-dire extraits de sources naturelles ou synthétisés en suivant les principes de la chimie verte), à faible énergie intrinsèque, à faible coût, biocompatibles, biodégradables, pouvant être traités en solution. La structure moléculaire des matériaux utilisés en électronique organique présente des caractéristiques de conjugaison (alternance de simple et doubles liaisons carbone). Cette structure peut aussi permettre liaisons hydrogène. La souplesse mécanique des matériaux organiques permet un transport combiné électronique et ionique (parfois protonique). De façon remarquable, la conductivité mixte ionique-électronique permet la connexion entre la biologie, qui parle le langage des protons, et l'électronique conventionnelle basée sur le transport des électrons et des trous. Les dispositifs électroniques organiques ne peuvent actuellement pas rivaliser avec la technologie du silicium en termes de performances, mais ils représentent son complément le plus prometteur.  ABSTRACT: The United Nations defined sustainability as “the ability to meet the needs of the present generations without compromising future generations […]”. The access to clean and low-cost energy is paramount to achieve sustainability on the global scale. The formidable technological advances of recent decades, paralleled by high purchasing power, growing urbanization and industrialization, have broadened access to consumer electronics, leading to a growing demand for electrical and electronic equipment (EEE). The rapid growth of market demand is giving rise to manufacturing processes that are unsustainable in terms of electronic waste (e-Waste or WEEE) streams, depletion of key chemical elements, energy consumption and ecotoxicity. In this scenario, green (sustainable) organic electronics can constitute a valuable route to alleviate the footprint of electronics.   Green organic electronics is based on the use of organic carbon-based bio-sourced (i.e., extracted from natural sources or synthesized following the green chemistry principles), low embodied energy, low-cost, biocompatible, biodegradable, solution processable materials. The molecular structure of organic electronic materials exhibits conjugation (alternance of single double carbon bonds). This structure can also allow the formation of hydrogen bonds. The mechanical flexibility of organic materials allows a combined electronic and ionic (sometimes protonic) transport. Remarkably, mixed ionic-electronic conductivity enables the connection between biology, which speaks the language of protons, and conventional electronics based on electron and hole transport. Organic electronics devices cannot currently compete in terms of performance with silicon technology, but they represent its most promising complement.   Eumelanin, a black-brown subgroup of melanins (abundant biopigment in flora and fauna), has proven an ideal candidate in the field of green organic electronics and bioelectronics. Eumelanin is non-toxic, biocompatible, solution-processable, conjugated biomacromolecule exhibiting UV-Vis absorption, metal-ion chelation, radical scavenging, redox activity and mixed ionic (protonic)-electronic transport. Several eumelanin-based applications have been demonstrated, including memory devices, n-p type porous Si/eumelanin heterojunctions, electrodes for energy storage devices, electrochemical transistors and phototransistors.


identifier: Daligou, G. T. E. G. (2021). Silicon-Integrated GeSn Mid-Infrared Emitters : Theoretical Modeling and Device Demonstration  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement de technologies de plus en plus innovantes combiné à notre insatiable appétit pour les données conduit à une demande grandissante en bandes passantes et une consommation excessive d'énergie par les centres de données. Cette énorme consommation d'électricité se traduit majoritairement par une dissipation d'énergie sous forme de chaleur aussi bien néfaste pour l'environnement que pour les dispositifs électroniques eux-mêmes. L'introduction de la photonique intégrée sur silicium (Si), compatible avec la technologie CMOS, a été proposée pour remédier à ces problèmes. Cependant, le développement de dispositifs photoniques efficaces et performants reste une tâche ardue du fait de la bande interdite indirecte du Si et du germanium (Ge). En effet, cette propriété limite sévèrement les taux d'émission et d'absorption de ces matériaux, les rendant donc inefficaces. Dans le but de trouver une solution à cette inefficacité, la piste des alliages semi-conducteurs du groupe IV a récemment été explorée. Les alliages de germanium-étain (GeSn) par exemple, présentent une possibilité d'obtenir une bande interdite directe ajustable en fonction de la composition de Sn et de la contrainte appliquée au matériau. Ils ont et continuent de susciter énormément d'intérêt aussi bien du point de vue théorique pour une meilleure compréhension de leurs propriétés optiques que du point de vue expérimental pour la conception de dispositifs. Dans cette optique, un cadre théorique est développé pour étudier les propriétés de luminescence des alliages de GeSn. Il s'appuie sur le modèle k.p à huit bandes, combiné à l'approximation de la fonction d'enveloppe (EFA) pour estimer les spectres d'absorption et d'émission spontanée d'un matériau massif unique. Contrairement au modèle de densité conjointe d'états (JDOS), dans lequel l'élément de matrice de quantité de mouvement est considéré constant, les forces des transitions optiques sont explicitement calculées dans notre modèle. On montre également qu'elles dépendent du vecteur d'onde ~k et de la polarisation du champ électromagnétique incident. En outre, une méthode relativement simple est utilisée pour estimer les intégrales sur la première zone de Brillouin. Cette approche tient compte explicitement de l'impact de la déformation du réseau sur les directions dites représentatives de l'espace réciproque. Ensuite, le modèle développé est utilisé pour étudier les propriétés de photoluminescence (PL) des couches de GeSn déformées et relaxées.  ABSTRACT: The insatiable desire for data fueled by the continuous development of new highly connected technologies leads to an input/output bottleneck and excessive energy consumption by the data centers. This tremendous electricity consumption results mainly heat generation, which represents a major issue for the environment and for the electronic devices themselves. Silicon (Si) integrated photonics, compatible with the CMOS processing technologies, has been proposed as a viable solution to extend the bandwidth and reduce power consumption. However, developing eÿcient and e˙ective Si-based photonic devices is still one of the most arduous tasks to perform due to the indirect bandgap of both Si and germanium (Ge). Indeed, this property severely limits their emission and absorption rates, therefore making them ineÿcient. Group IV semiconductors alloys have been recently explored as possible materials to overcome this limitation. The Germanium-Tin (GeSn) alloys, for instance, may have a bandgap energy that is adjustable depending on the Sn composition and the lattice strain. They have been attracting a great deal of interest both from the theoretical standpoint for a better understanding of their physical properties and from the experimental side for designing and fabricating eÿcient devices. With this perspective, a theoretical framework is developed to investigate the luminescence properties of GeSn alloys. This framework relies on the band structure of these materials obtained within the eight-band k.p formalism and combined with the envelope function approximation (EFA) to estimate the absorption and spontaneous emission spectra of single bulk material. Unlike the joint density of states (JDOS) model, in which the momentum matrix element is considered constant, the oscillator strengths are explicitly computed in our model. They are also shown to be dependent on the wave vector ~k and the polarization of the incident electromagnetic field. Furthermore, a simple though accurate method is used to compute the integrals over the first Brillouin zone (BZ). This approach accounts explicitly for the impact of the lattice strain on the representative directions of the ~k-space. Next, using the framework mentioned above, the photoluminescence (PL) properties of both strained and relaxed GeSn were investigated. The di˙erences between our approach and the JDOS model were highlighted at each step of the computations. Besides, the model was shown to fit the experimental data, and a value of ˘ 1.6 ns was extracted at 4 K for the steady-state radiative carrier lifetime (˝rad) of the as-grown Ge0.83Sn0.17 sample. This lifetime increases with the temperature while staying in the order of ns over the 4-80 K temperature range. Furthermore, the strain relaxation in the material was shown to increase.


identifier: Allard, C. (2021). Études sur la synthèse et les propriétés optiques de nanohybrides composés de nanotubes et de colorants organiques encapsulés  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les nanotubes sont des objets possédant des diamètres nanométriques et des longueurs pou-vant atteindre plusieurs micromètres. Ils sont bien adaptés pour le développement de ma-tériaux hybrides ; en particulier, ils possèdent une cavité intérieure vide permettant l'en-capsulation de diﬀérents composés. Cette approche permet l'établissement d'une plateforme versatile où le nanotube et le composé encapsulé peuvent être judicieusement choisis pour des applications spéciﬁques. Parmi la gamme de composés disponibles pour l'encapsulation, les colorants organiques sont particulièrement prometteurs pour le développement d'agents de contraste en imagerie optique. De plus, le conﬁnement dans la cavité intérieure des nano-tubes force l'organisation des molécules et oﬀre un cadre idéal pour l'étude de l'agrégation. Par contre, le mécanisme d'encapsulation est méconnu, ce qui limite l'application eﬀective des nanohybrides. Cette thèse s'intéresse à clariﬁer certains aspects du processus d'encapsulation pour faciliter la conception de nanohybrides possédant des propriétés connues et contrôlées. Premièrement, nous capitalisons sur l'étanchement de la ﬂuorescence des colorants encapsulés dans les nanotubes de carbone à simple paroi (SWCNTs) ainsi que sur leur réponse Raman robuste et unique pour l'étude du processus d'encapsulation. Pour ce faire, nous utilisons l'imagerie Raman qui permet la conﬁrmation visuelle de l'encapsulation par l'étude des si-gnatures Raman spéciﬁques associées aux molécules et aux SWCNTs. Un système modèle composé d'un colorant, le –-sexithiophène (6T), et de SWCNTs longs (> 30 µm) est utilisé. Les SWCNTs sont déposés sur des substrats avec des marqueurs de position et peuvent être facilement traités par procédés de microfabrication. En combinant la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) et la gravure ionique réactive (RIE), des nanotubes de longueur contrôlée sont obtenus. Cette méthode nous permet d'observer de manière préliminaire l'entrée des molécules ainsi que l'impact de la longueur du nanotube sur l'encapsulation. Nous trouvons que l'encapsulation est majoritairement eﬀectuée par les bouts ouverts des nanotubes. De plus, tel qu'attendu, les nanotubes plus courts présentent une intensité moyenne plus élevée que les nanotubes plus longs à temps d'encapsulation ﬁxe. Nous démontrons également que les interactions 6T/SWCNTs sont faibles et que les molécules peuvent diﬀuser à l'intérieur du nanotube sur de grandes longueurs.  ABSTRACT: Nanotubes are objects that possess nanoscale diameters and lengths that can reach several micrometers. They are well adapted for the design of hybrid materials; in particular, they possess an empty interior cavity that allows the encapsulation of diﬀerent compounds. This approach constitutes a versatile platform in which the nanotube and the encapsulated com-pound can be tailored for speciﬁc applications. Among the diﬀerent compounds available for encapsulation, organic dyes are particularly interesting for the development of contrast agents for optical imaging. In addition to the robust optical signature obtained from en-capsulated dyes, the conﬁnement of the molecules in the internal cavity of the nanotubes forces molecular organisation and provides an ideal framework for the study of aggregation. However, the encapsulation mechanism and process are still poorly understood, which limits the eﬀective application of the nanohybrids. In this thesis, we aim to clarify diﬀerent aspects of the encapsulation process to facilitate the design of nanohybrids that possess known and controllable properties. We ﬁrst exploit the quenching of the dyes' ﬂuorescence in single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as their speciﬁc Raman signal for the study of the encapsulation process. For this, we make use of Raman imaging giving us visual conﬁrmation of the encapsulation via the study of the Raman signatures associated with the molecules and the SWCNTs. A model system composed of a dye, –-sexithiophene (6T), and long (>30 µm) SWCNTs is used. The SWCNTs are deposited on substrates with position markers and can be easily processed by microfabrication techniques. By combining electron beam lithography (EBL) and reactive-ion etching (RIE), length-controlled nanotubes are obtained. This method al-lows us to evaluate molecular entryways and the impact of the length of the nanotube on the encapsulation. We ﬁnd that the encapsulation mostly occurs from the open ends of the nanotubes. Moreover, as expected, shorter nanotubes present higher average intensities than longer nanotubes at ﬁxed encapsulation times. We also demonstrate that 6T/SWCNTs in-teractions are weak and that molecules can diﬀuse inside a nanotube over long distances. Raman imaging is then used for the statistical study of an ensemble of SWCNTs.


identifier: Cao, Y. (2021). Additive Manufacturing of Terahertz Waveguide Components for THz Sensing and Communications  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les ondes térahertz allant de 0.1 à 10 THz occupent la dernière portion relativement sous-utilisée du spectre électromagnétique. Située à la transition entre les régions de l'électronique et de la photonique, le « trou des THz » (THz gap) a retenu beaucoup d'attention pour ses potentielles applications en détection, communication, imagerie et spectroscopie au cours des dernières décennies. Afin de faire passer ces technologies THz de la théorie à la pratique, les guides d'onde THz efficaces pour diriger et manipuler les faisceaux est une des pièces manquantes du casse-tête. Cependant, en raison de l'impossibilité d'utiliser des solutions électroniques et photoniques conventionnelles telles que des lignes de transmission métalliques ou fibres en silice dans le régime THz, un manque de normes universelles pour la conception et fabrication de ces composants maintient les guides d'onde THz au stade du développement.  En considérant que l'échelle d'un guide d'onde est typiquement comparable à la longueur d'onde de l'onde guidée, soit de 3 mm à 30 um dans le cas du rayonnement THz, les techniques de fabrication additive (additive manufacturing (AM)), dont la résolution est en constante amélioration, sont devenues graduellement une solution prometteuse pour fabriquer des guides d'ondes THz avec une structure 3D compliquée ainsi que des détails sous-longueur-d'onde. Ceci a rendu possible de nouvelles avancées en conception et fabrication de guides d'ondes THz. Dans cette étude, nous nous concentrons sur les fibres diélectrique THz et guides d'ondes plasmoniques imprimés en 3D. Le premier objectif primaire est le développement d'un capteur fluidique en temps réel conçu avec une fibre diélectrique de Bragg à bande interdite photonique (photonic bandgap (PBG)) en THz. Un second objectif est le développement de composants optiques THz et de circuits basés sur les guides d'ondes plasmoniques à deux fils pour la communication THz.  Cette thèse débute avec une revue de la littérature scientifique sur les sujets touchés par les guides d'ondes THz en détection et communication, ainsi que sur l'application d'imprimantes 3D à la fabrication de guides d'onde THz. D'abord, quatre types de guides d'onde THz utilisés couramment, soit les fibres polymères, les guides d'onde plasmoniques, les guides d'onde rectangulaires et les guide d'onde planaires en silicium, sont brièvement discutés selon leurs mécanismes de guidage et les techniques de fabrication applicables.  ABSTRACT: The terahertz band ranging from 0.1-10 THz occupies the last relatively underutilized part of the electromagnetic spectrum. Placed in the switching region between electronics and photonics, the “THz gap” has garnered attention for potential applications in sensing, communications, imaging, and spectroscopy during the past decades. To transform the THz technology from theory to practice, the efficient THz waveguide component for THz beam steering and manipulating is one of the missing pieces of the puzzle. However, due to the unavailability of conventional electronics and photonics solutions such as metal transmission lines and silica fibers in the THz range, the lack of universal design standards and fabrication routes has trapped THz waveguide components in the development stage.   Considering that the waveguide scale is typically comparable to the wavelength of light, spanning from 3 mm to 30 μm for THz radiation, additive manufacturing techniques incorporating continuously improving resolution have gradually become a promising solution to reproduce THz waveguides with complicated 3D structures and subwavelength features. This has led to the possible realization of new advances in the design and fabrication of THz waveguide components. In this study, we focused on 3D printed THz dielectric fibers and plasmonic waveguides. Among the primary objectives was the development of a real-time fluidic sensor based on a THz photonic bandgap Bragg dielectric fiber. While another was the development of THz optical components and circuits based on two-wire plasmonic waveguides for THz communication.  We begin this thesis with a scientific literature review on subjects of the involvement of THz waveguide components in THz sensing and communications, as well as applications of 3D printing in THz waveguides. First, four types of commonly used THz waveguides, that is, polymer fibers, plasmonic waveguides, rectangular waveguides, and waveguides on planar silicon substrates, are briefly discussed along with their guiding mechanisms and applicable manufacturing techniques. Subsequently, we shift the focus to applications of THz waveguide components in the field of THz sensing and communications. In terms of sensing, several THz waveguide-based sensor designs, as well as the development and potential application of photonic bandgap Bragg waveguides have been discussed.


identifier: Tanguay-Rioux, F. (2021). Développement d'une approche de modélisation mixte pour la représentation du traitement mécano-biologique  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans les dernières années, beaucoup d'efforts ont été investis par les différentes instances gouvernementales pour réduire l'impact environnemental associé au traitement des matières résiduelles, en misant principalement sur une amélioration du tri à la source. Ces efforts ont permis une réduction importante de la quantité de matières résiduelles enfouies chaque année, tout en contribuant également à une modification de la composition de ces matières. Par contre, malgré une amélioration continue du tri à la source par le citoyen, il est attendu qu'une quantité importante de matières résiduelles ayant un potentiel de valorisation élevé continue d'être enfouie chaque année, indiquant un besoin clair pour l'implémentation de solutions complémentaires. L'approche la plus souvent utilisée pour valoriser les ordures ménagères et réduire leur impact environnemental est le traitement mécano-biologique. Malgré son importance en Europe, le traitement mécano-biologique demeure largement méconnu en Amérique du Nord, principalement dû à des essais peu fructueux par le passé. Ainsi, les premières usines construites ont fermé, étant incapables de produire des matières ayant une qualité satisfaisante en suffisamment grande quantité. Une des raisons expliquant ce problème est que ce type de procédé est généralement conçu à partir de méthodes semi-empiriques qui ne sont pas nécessairement représentatives de la situation représentée.  ABSTRACT: During the past few years, a lot of effort has been made by the governments to reduce the environmental impacts associated to waste management treatment. To do so, a key aspect was to improv source separation collections. These efforts lead to an important reduction of the amount of waste landfilled each year. However, despite these improvements, an important quantity of solid waste, that could otherwise be valorized, is still eliminated every year. This makes it necessary to develop new alternatives to recover these wastes. The most common approach used to valorize mixed municipal solid waste and reduce the environmental impact associated to their treatment is the mechanical-biological treatment. Even though this process is largely used in Europe, it is still largely unknown in North America due to unsuccessful previous trials. Many of the first examples of mechanical-biological treatment facilities have closed due to an insufficient performance, leading to a poor recovery and a poor purity of the different products. One of the reasons leading to this problematic is that these processes are often designed based on semi-empirical methods that are not necessarily representative of the situation for which they are implemented.


identifier: Magalas, T. (2021). Modélisation du Capital Humain dans le processus d'innovation d'une entreprise industrielle  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le monde numérique caractéristique du XXI siècle, une entreprise qui souhaite se démarquer dans son industrie doit proposer et déployer de nouvelles innovations technologiques. Une entreprise au cœur de l'innovation technologique est d'autant plus performante qu'elle excelle dans la gestion de la connaissance. Il s'agit alors pour une entreprise industrielle avant tout de mieux comprendre les interactions entre la connaissance aussi bien individuelle qu'organisationnelle (interne) et le processus d'innovation. Le processus d'innovation en entreprise industrielle était jusqu'alors considéré comme linéaire, ce n'est que récemment que le processus d'innovation dans une entreprise est envisagé comme collaboratif et itératif. Très peu d'études dans la littérature ont tenté de modéliser le rôle de l'individu dans le processus d'innovation d'une entreprise industrielle. C'est donc à partir de ce nouveau cadre conceptuel du processus d'innovation ainsi que d'un état de l'art consistant sur le rôle du Capital Intellectuel d'une entreprise dans le processus d'innovation que nous construisons par le biais d'une étude exploratoire 3 modèles qui impliquent le Capital Humain des employés et le potentiel d'innovation de l'entreprise industrielle.  L'objectif de ce mémoire est alors d'identifier le potentiel d'innovation du Capital Organisationnel (CO) d'une entreprise industrielle à partir du Capital Humain (CH) de ses employés. Cette étude exploratoire est l'une des premières dans la littérature à mettre en œuvre des méthodes d'apprentissage d'extraction de connaissances à partir de la donnée, afin de proposer un outil de mécanisme de soutien au processus d'innovation des entreprises industrielles en ce qui a trait au Capital Humain de sa force de travail interne. Pour ce faire, nous réalisons l'étude exploratoire sur un ensemble de données de l'entreprise CAE Inc., qui est une entreprise basée au Canada qui œuvre dans les secteurs industriels de l'aéronautique et de la santé. D'une part, nous collectons les données du Capital Humain des employés à partir de la source de données LinkedIn avec respect de la confidentialité des données et des données personnelles, et d'autre part nous collectons les données du potentiel d'innovation de l'entreprise avec les données des brevets de CAE Inc. issues de la plateforme Patseer. Nous obtenons alors un ensemble total composé de 493 individus (employés) de l'entreprise CAE Inc. Lors de cette étude exploratoire, nous développons un outil de moissonnage de données qui permet l'automatisation de la collecte et du traitement des données du Capital Humain. Afin de réaliser l'objectif de cette étude exploratoire, les méthodes d'analyse de données qui sont mises en œuvre sont les règles d'association, les arbres de décision et un algorithme de classification. Les analyses effectuées amènent à la construction d'un descripteur nommé potentiel d'innovation qui permet l'identification en 5 classes de tendances d'innovation pour chaque employé. Ainsi les résultats des analyses sont novateurs pour identifier le lien entre les dimensions de savoir-faire, du développement du Capital Humain des employés et le potentiel d'innovation du Capital Organisationnel de l'entreprise industrielle par la publication de brevets. Néanmoins, l'étude exploratoire présente plusieurs limites qui sont notamment l'utilisation directe de ces résultats par l'entreprise car les potentiels d'innovation obtenus pour les employés sont génériques et ne présentent pas de particularités spécifiques à des projets ou des activités au niveau de l'équipe. De plus, les données du Capital Humain proviennent du réseau professionnel LinkedIn, ces données peuvent présenter un biais de non-conformité et de désirabilité sociale. Toutefois les résultats obtenus par cette construction de modèles et les analyses suggèrent qu'avec l'utilisation d'un modèle enrichi par des indicateurs supplémentaires sur d'autres dimensions du Capital Humain, l'accès à d'autres indicateurs pour le potentiel d'innovation et d'un ensemble avec davantage d'individus il serait sûrement possible de construire une modélisation plus fine de l'identification du potentiel d'innovation du Capital Organisationnel d'une entreprise industrielle spécifique à une équipe ou à  un projet à partir du Capital Humain. Mots-clés : indicateurs d'innovation, constitution d'équipe, capital humain, capital intellectuel, exploration de données, LinkedIn  ABSTRACT: In the digital world of the 21st century, a company that wants to stand out in its industry must propose and deploy new technological innovations. A company at the heart of technological innovation is all the more successful if it excels in knowledge management. For an industrial company, it is above all a question of better understanding the interactions between individual and organizational (internal) knowledge and the innovation process. The innovation process in an industrial company was previously considered as linear; it is only recently that the innovation process in a company is considered as collaborative and iterative. Very few studies in the literature have attempted to model the role of the individual in the innovation process of an industrial company. It is therefore from this new conceptual framework of the innovation process as well as a consistent state of the art on the role of the intellectual capital of a company in the innovation process that we build through an exploratory study 3 models that involve the human capital of employees and the innovation potential of the industrial company.  The objective of this dissertation is then to identify the innovation potential of the Organizational Capital (OC) of an industrial firm from the Human Capital (HC) of its employees. This exploratory study is one of the first in the literature to implement knowledge extraction learning methods from data, in order to propose a support mechanism tool for the innovation process of industrial companies with respect to the Human Capital of its internal workforce. To do this, we conduct an exploratory study on a sample of data from CAE Inc, a Canadian-based company that operates in the aeronautics and health industrial sectors. On the one hand, we collect the Human Capital data of the employees from the LinkedIn data source with respect to data confidentiality and personal data, and on the other hand we collect the data of the innovation potential of the company with the patent data of CAE Inc. from the Patseer platform. We then obtain a total sample of 493 individuals (employees) from the company CAE Inc. During this exploratory study, we develop a data harvesting tool that allows the automation of the collection and processing of Human Capital data. In order to achieve the objective of this exploratory study, the data analysis methods that are implemented are association rules, decision trees and a classification algorithm. The analyses carried out lead to the construction of a descriptor named innovation potential which allows the identification of 5 classes of innovation tendencies for each employee. Thus, the results of the analyses are innovative in identifying the link between the dimensions of know-how, of the development of the employees' Human Capital and the innovation potential of the Organizational Capital of the industrial company through the publication of patents. Nevertheless, the exploratory study has several limitations which include the direct use of these results by the company because the innovation potentials obtained for the employees are generic and do not present specificities of projects or activities at the team level. In addition, the Human Capital data comes from the LinkedIn professional network, this data may have a non-conformity and social desirability bias. However, the results obtained from this model building and analysis suggest that with the use of a model enriched with additional indicators on other dimensions of Human Capital, access to other indicators for innovation potential, and a sample with more individuals it would surely be possible to build a finer modeling of the identification of the innovation potential of the Organizational Capital of an industrial company specific to a team or a project from Human Capital. Keywords: Innovation indicators, team constitution, human capital, intellectual capital, data mining, LinkedIn


identifier: Rezazadeh, M. (2021). Opportunities and Challenges of Industry 4.0 in OH&S Management System: A Critical Review  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La quatrième révolution industrielle, Industrie 4.0, a été lancée en 2011. Depuis lors, elle a suscité une attention considérable de la part des chercheurs du monde entier. De nombreux articles scientifiques ont été publiés pour présenter les fonctions de l'Industrie 4.0, promouvoir les affaires et augmenter la productivité. Les opportunités de l'Industrie 4.0 pour améliorer la santé et la sécurité au travail (SST) ont également été considérablement explorées. Cependant, quelques publications ont mis en évidence les enjeux de l'Industrie 4.0 en SST. Certains craignent que les réalisations en matière de SST ne soient affectées, ce qui pourrait constituer un obstacle aux progrès de l'Industrie 4.0. Cette thèse vise à identifier à la fois les défis qui découlent de l'Industrie 4.0 et les opportunités qu'elle ouvre pour les systèmes de management de la SST. Comme point de départ, un historique des technologies constitutives de l'Industrie 4.0 ainsi que les principes fondamentaux qui sous-tendent la gestion de la SST aujourd'hui sont fournis. Ensuite, la méthodologie de cette étude est expliquée qui se compose de trois étapes. Dans la première étape, nous effectuons une revue systématique de la littérature pour acquérir des connaissances de base sur les défis et les opportunités que l'industrie 4.0 crée pour la SST, en appliquant la méthode ProKnow-C. Dans la deuxième étape, une comparaison détaillée entre trois normes de système de gestion de la SST bien connues - CSA Z1000 en tant que norme nationale, OHSAS 18001 en tant que norme internationale et ISO 45001 en tant que norme ISO est effectuée. Dans la dernière étape, nous synthétisons les défis et opportunités identifiés dès la première étape avec les clauses incluses dans ces trois normes. Pour faciliter la synthèse, nous nous concentrons sur la plus inclusive de ces trois normes, ISO 45001. Cependant, les résultats peuvent être généralisés aux deux autres normes. En conséquence, nous arrivons à cinq conclusions : Premièrement, il n'y a pas encore eu suffisamment d'attention à l'intégration des aspects humains dans les systèmes industriels 4.0. L'inadéquation entre les capacités humaines des travailleurs et la charge de travail produite par les machines dans les interactions homme-machine peut entraîner des erreurs humaines, des accidents et même des problèmes psychologiques. Il est recommandé de considérer les aspects humains dans la phase de conception d'un système Industrie 4.0. Deuxièmement, les coûts élevés et les limitations techniques sont deux obstacles principaux pour tirer pleinement parti des opportunités de SST des technologies de l'Industrie 4.0. De plus, le manque de main-d'œuvre qualifiée ainsi que les considérations éthiques sont d'autres obstacles dont il faut tenir compte. Les PME pourraient être plus touchées par ces problèmes en raison de ressources financières plus restreintes pour concurrencer les grandes entreprises. Troisièmement, les risques probables pour la SST à l'ère de l'Industrie 4.0 sont identifiés et classés en six groupes, y compris les risques biologiques, chimiques, physiques, ergonomiques, psychologiques et de sécurité. Parmi eux, les risques psychologiques pourraient être évidents à mesure que les systèmes homme-machine seront transformés.  En plus de ces dangers, une hiérarchie de contrôles des risques, y compris l'élimination, la substitution, les systèmes de sensibilisation, les contrôles administratifs et les EPI pouvant être activés par l'industrie 4.0, est introduite.  Quatrièmement, ISO 45001 est plus complet que les deux normes OHSAS 18001 et CSA Z1000. Les principales différences incluent l'identification des problèmes internes et externes affectant les performances de SST ainsi que les besoins des travailleurs. À cet égard, il est nécessaire de reconnaître les opportunités de la SST ainsi que les risques pour la SST. Cinquièmement, la synthèse de nos conclusions issues de l'analyse de contenu et des exigences des normes du système de management de la SST montre que dans la phase de leadership, une organisation peut rencontrer des difficultés à mener une culture de SST efficace grâce à la participation des travailleurs parce que les travailleurs de différentes nationalités, origines , et les cultures, avec des perceptions tout aussi diverses de la SST peuvent se réunir pour travailler. Au contraire, l'IdO et l'intégration verticale et horizontale des systèmes pourraient faciliter la communication, ce qui a un effet positif sur la participation des travailleurs. Dans la phase de planification, malheureusement, les lois et réglementations en matière de SST sont à la traîne par rapport à l'Industrie 4.0. Cela soulève des inquiétudes quant au fait que les approches proactives en matière de SST peuvent être affectées. D'autre part, l'Industrie 4.0 peut viser à lever des incapacités technologiques afin de répondre aux obligations légales. De plus, l'Industrie 4.0 peut aider à créer un système d'information efficace et en temps réel et stimuler la gestion des technologies de l'information qui joue un rôle clé dans la planification et la réalisation de ses objectifs en matière de SST dans une organisation. Dans la phase d'accompagnement, une pénurie de travailleurs possédant des compétences techniques et personnelles peut imposer une charge de travail supplémentaire aux employés compétents et les épuiser. D'un autre côté, les méthodes pédagogiques innovantes basées sur la réalité augmentée ont le potentiel d'améliorer l'efficacité de la formation en SST et la sensibilisation des travailleurs aux risques environnants. En phase d'exploitation, si des algorithmes intelligents prévalent, ils peuvent fournir un contrôle en temps réel des aspects SST dans les opérations d'une organisation. Cependant, les situations imprévisibles qui peuvent provenir d'un dysfonctionnement de ces algorithmes et mettre en danger les travailleurs doivent être prises en considération. De plus, la réalité augmentée peut fournir des exercices proches de la réalité pour améliorer la préparation des travailleurs à répondre aux urgences. Cependant, les organisations doivent également être prêtes à répondre aux urgences imprévues résultant de cyberattaques à grande échelle. Dans la phase d'évaluation des performances, dans le cas du développement de l'analyse des mégadonnées et de la vision par ordinateur dans le monde du travail, des évaluations factuelles des performances en matière de SST sont possibles. Il convient de mentionner que ces possibilités doivent être utilisées parallèlement aux outils d'évaluation traditionnels pour refléter l'évaluation réelle de la performance SST. Dans la phase d'amélioration, d'autres avancées dans la gestion de la SST sont attendues sur la base du rythme rapide de la progression technologique, comme la capacité des visions par ordinateur à modéliser la dynamique du mouvement, qui vise à prédire les comportements humains dangereux. Mais la progression technologique pourrait être associée à de nouveaux risques. L'exemple peut être des interfaces cerveau-machine directes qui chauffent les tissus corporels et sont suspectées de provoquer ou de favoriser le cancer. À notre connaissance, il s'agit de l'une des premières études qui utilisent les critères énoncés dans les normes de système de management de la SST pour analyser les défis et les opportunités de l'Industrie 4.0 et leurs implications pour les travailleurs d'aujourd'hui et de demain. Pour les recherches futures, il est recommandé que des études pratiques soient menées pour évaluer les risques pour la SST découlant de l'Industrie 4.0.  ABSTRACT: The fourth industrial revolution, Industry 4.0, has been launched in 2011. Since then, it has attracted considerable attention from researchers around the world. Many scientific articles have been published to introduce the functions of Industry 4.0, to promote business, and to increase productivity. The opportunities of Industry 4.0 for improving occupational health and safety (OH&S) have also been considerably explored. However, a few publications have highlighted the challenges of Industry 4.0 in OH&S. There are concerns that OH&S achievements may be affected, and this may place an obstacle in the way of Industry 4.0's progress. This thesis aims to identify both the challenges that arise from Industry 4.0 and the opportunities it opens up for OH&S management systems. As a starting point, a background of the constituting technologies of Industry 4.0 as well as fundamental principles underlying OH&S management today are provided. Then, the methodology of this study is explained which consists of three steps. In the first step, we carry out a systematic literature review to gain background knowledge of the challenges and opportunities Industry 4.0 creates for OH&S, applying the ProKnow-C method. In the second step, a detailed comparison among three well-known OH&S management system standards – CSA Z1000 as a national standard, OHSAS 18001 as an international standard, and ISO 45001 as an ISO standard is made. In the last step, we synthesize the identified challenges and opportunities from the first step with the clauses included in these three standards. To facilitate the synthesis, we focus on the most inclusive of these three standards, ISO 45001. However, the results can be generalized to the other two standards. Accordingly, we come to five conclusions: First, there has not been sufficient attention to incorporating human aspects in 4.0 industrial systems yet. The mismatch between the human capabilities of workers and the workload produced by machines in human-machine interactions can lead to human errors, accidents, and even psychological problems. It is recommended to consider human aspects in the stage of design of an Industry 4.0 system. The fourth industrial revolution, Industry 4.0, has been launched in 2011. Since then, it has attracted considerable attention from researchers around the world. Many scientific articles have been published to introduce the functions of Industry 4.0, to promote business, and to increase productivity. The opportunities of Industry 4.0 for improving occupational health and safety (OH&S) have also been considerably explored. However, a few publications have highlighted the challenges of Industry 4.0 in OH&S. There are concerns that OH&S achievements may be affected, and this may place an obstacle in the way of Industry 4.0's progress.   This thesis aims to identify both the challenges that arise from Industry 4.0 and the opportunities it opens up for OH&S management systems. As a starting point, a background of the constituting technologies of Industry 4.0 as well as fundamental principles underlying OH&S management today are provided. Then, the methodology of this study is explained which consists of three steps. In the first step, we carry out a systematic literature review to gain background knowledge of the challenges and opportunities Industry 4.0 creates for OH&S, applying the ProKnow-C method. In the second step, a detailed comparison among three well-known OH&S management system standards – CSA Z1000 as a national standard, OHSAS 18001 as an international standard, and ISO 45001 as an ISO standard is made. In the last step, we synthesize the identified challenges and opportunities from the first step with the clauses included in these three standards. To facilitate the synthesis, we focus on the most inclusive of these three standards, ISO 45001. However, the results can be generalized to the other two standards.   Accordingly, we come to five conclusions: First, there has not been sufficient attention to incorporating human aspects in 4.0 industrial systems yet. The mismatch between the human capabilities of workers and the workload produced by machines in human-machine interactions can lead to human errors, accidents, and even psychological problems. It is recommended to consider human aspects in the stage of design of an Industry 4.0 system.  intelligent algorithms prevail, they can provide real-time control of OH&S aspects in the operations of an organization. However, unpredictable situations that can stem from a malfunction of these algorithms and endanger workers must be taken into consideration. Moreover, augmented reality can provide close-to-reality exercises to enhance the preparedness of workers to respond to emergencies. However, organizations need to be also prepared to respond to unforeseen emergencies arising from large-scale cyber-attacks. In the performance evaluation phase, in the case of the development of big data analysis and computer vision in the world of work, evidence-based evaluations of OH&S performance are possible to conduct. It is worth mentioning that these possibilities should be used alongside the traditional evaluation tools to reflect the real evaluation of OH&S performance. In the improvement phase, more advancements in OH&S management are anticipated based on the rapid pace of technological progression such as the ability of computer visions in modelling motion dynamics, which aims to predict unsafe human behaviour. But technological progression might be associated with new risks. The example can be direct brain-to-machine interfaces that heat up body tissues and are suspected of causing or promoting cancer. To the best of our knowledge, this is among the first studies that use the criteria stated in OH&S management system standards to analyze the challenges and opportunities of Industry 4.0 and their implications for workers today and tomorrow. For future research, it is recommended that practical studies be carried out to assess the OH&S risks emerging from Industry 4.0.


identifier: Gezzaz, H. (2021). Thermodynamic and Kinetic Modeling of Thermal Decarbonization of Low-Grade Phosphate Ore  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le minerai de phosphate est une source potentielle de phosphore avec une large application dans de nombreux procédés industriels pour produire des produits commerciaux tels que l'acide phosphorique, les aliments, les engrais, les pesticides et les détergents. Le minerai de phosphate est une roche naturelle contenant principalement la fluorapatite carbonée, la dolomite, la calcite et le quartz. Le minerai de phosphate à faible teneur est bénéfique pour produire du gaz phosphore pur (P2) par fusion, car il contient une concentration importante de quartz qui joue le rôle d'un agent fondant. Le gaz phosphore peut être transformé en d'autres produits intermédiaires purs tels que le pentoxyde de phosphore (P2O5) et l'acide phosphorique (H3PO4), qui ont un large éventail d'applications industrielles. Par conséquent, le procédé thermique par fusion est une technique prometteuse pour remplacer le procédé à l'acide phosphorique humide qui souffre de nombreux problèmes techniques (acide phosphorique de faible teneur) et cause de graves problèmes environnementaux (génération de phosphogypse).  ABSTRACT: Phosphate ore is a potential source of phosphorus with wide application in many industrial processes to produce market products such as phosphoric acid, food, fertilizers, pesticides, and detergents. It is a natural rock that contains mainly carbonate fluorapatite, dolomite, calcite, and quartz. Low-grade phosphate ore is beneficial to produce high pure phosphorus gas (P2) by smelting process because it contains a considerable concentration of quartz that plays the role of fluxing agent. Phosphorus gas can be transformed into other pure intermediate products such as phosphorus pentoxide (P2O5) and phosphoric acid (H3PO4), which have a wide range of industrial applications. Hence, the thermal process that includes smelting is a promising technique to replace the wet phosphoric acid process that suffers from many technical issues (low-grade phosphoric acid) and causes serious environmental problems (generation of phosphogypsum).


identifier: Wang, R. (2021). Numerical Analyses of the Stability and Geomechanical Behavior of Side-exposed Backfill Associated with Closure of Rock Walls  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La récupération des piliers en minerai requiert un remblai stable lors de son exposition latérale. Comprendre le comportement géomécanique et déterminer la cohésion minimale requise (cmin) d'un remblai exposé latéralement sont essentiels pour assurer une production minière sécuritaire et économique. La plupart des études antérieures consistent à évaluer la stabilité d'un remblai explosé latéralement en considérant trois ou deux murs encaissants immobilisés d'un chantier isolé. Les solutions ont été validées contre des résultats d'essais d'instabilité de remblai en boîte sur des remblais mous. Dans la pratique, les remblais sont souvent exposés après une longue période lorsqu'ils deviennent suffisamment résistants (et durs). Une convergence des épontes rocheuses peut avoir lieu lors de l'excavation d'un chantier secondaire adjacent et du fluage des épontes rocheuses. Une bonne compréhension de l'influence de la convergence des épontes rocheuses sur la stabilité et la cmin d'un remblai exposé latéralement est nécessaire. Pour atteindre cet objectif, des simulations numériques tri- dimensionnelles ont été réalisées avec FLAC3D afin d'évaluer la stabilité et de déterminer la cmin d'un remblai exposé latéralement en considérant la convergence instantanée des épontes rocheuses associée avec une extraction adjacente. L'instabilité d'un remblai exposé latéralement est déterminée en évaluant la fusion des zones en plasticité. Les résultats numériques montrent que lorsque la profondeur de la mine et la convergence des épontes rocheuses sont faibles, le mécanisme de rupture dominant est le glissement. Une faible convergence des épontes rocheuses améliore la stabilité du remblai exposé latéralement. La cmin diminue avec l'augmentation de la profondeur de mine, la rigidité du remblai, le coefficient de pression des terres, et la résistance (angle de frottement et l'adhérence) des interfaces entre le remblai et les épontes rocheuses. Augmenter la rigidité du massif rocheux, la hauteur et la largeur des chantiers augmente la cmin. Lorsque la profondeur de mine et la convergence sont très grandes, l'écrasement devient le mécanisme de rupture dominant du remblai expos latéralement. La cmin devient insensible à la variation de la résistance des interfaces entre le remblai et les épontes rocheuses. Elle augmente avec l'augmentation de la profondeur de mine, la hauteur et la longueur du chantier primaire, la rigidité du remblai et le coefficient de pression des terres de la roche. Elle diminue avec l'augmentation de la largeur des chantiers et la rigidité du massif rocheux. Dans tous les cas, la stabilité d'un remblai exposé latéralement peut être améliorée par l'utilisation d'un remblai ayant un angle de frottement interne élevé. Une autre étude numérique a été réalisée avec FLAC3D pour évaluer la stabilité d'un remblai explosé latéralement en fonction du temps, associée avec la déformation de fluage des épontes rocheuses. L'évolution des propriétés mécaniques du remblai cimenté avec le temps de cure a été considéré. Les résultats numériques montrent que la période ouverte du chantier primaire n'affecte pas significativement la stabilité et la cmin du remblai exposé latéralement. Lorsque la profondeur de mine est faible ou/et le massif rocheux montre peu de fluage, il est préférable d'attendre plus longtemps avant d'excaver le chantier secondaire adjacent pour permettre au remblai d'acquérir plus de résistance. Lorsque la profondeur de mine est grande ou/et le massif rocheux montre de grands fluages, l'instabilité du remblai exposé latéralement peut être dictée par une rupture en écrasement. Une simple augmentation de la teneur en liant du remblai n'est pas forcément le meilleur choix parce qu'un remblai plus résistant est aussi plus dur et susceptible à être écrasé. En revanche, un remblai plus mou avec une teneur en liant plus faible ou/et avec une période de cure plus courte pourrait être préférable. Une fois exploité, le chantier secondaire adjacent doit être remblayé aussi tôt que possible pour prévenir des ruptures du remblai exposé latéralement. Une optimisation des dimensions des chantiers primaire et secondaire est nécessaire pour minimiser le coût global du remblai. La rigidité d'un remblai a été montré d'être un facteur d'influence important sur la stabilité et la cmin d'un remblai exposé latéralement. Cependant, elle a été considérée comme une constante dans le modèle d'élasto-plastique de Mohr-Coulomb. Une étude comparative est donc nécessaire pour identifier un modèle constitutif applicable à décrire la dépendance de contrainte de la compressibilité des remblais non-cimentés ou de faible teneur en liant. L'applicabilité du modèle élasto-plastique de Mohr-Coulomb, du modèle à double seuils d'écoulement (Double Yield), et du modèle de sol mou (Soft Soil) à décrire la compressibilité de remblai a été évaluée en reproduisant numériquement certains résultats de laboratoire existants, obtenus par des essais de consolidation unidimensionnelle et des essais de compression triaxiale en conditions consolidée et drainée réalisés sur un remblai de faible teneur en ciment. Les résultats montrent que le modèle du sol mou peut décrire correctement la compressibilité des remblais légèrement cimentés avec de faibles cohésion. L'application du modèle de Mohr-Coulomb et du modèle à double seuils d'écoulement montre une mauvaise description de la compressibilité du remblai soumis à des charges importantes et cycliques. L'analyse de l'effet de fluage sur la stabilité d'un remblai exposé latéralement nécessite un modèle constitutif de fluage approprié pour les roches. On constate premièrement que la plupart des modèles de fluage existants ne peuvent pas représenter la rupture à la phase tertiaire des roches. On constate aussi que la régression a été couramment utilisée dans les études antérieures sur tous les résultats expérimentaux disponibles pour obtenir une ou plusieurs séries de paramètres de modèle. La capabilité de prédiction du modèle de fluage calibré aux conditions non testées est inconnue. Par conséquent, un nouveau modèle de fluage a été développé pour décrire et prédire la déformation de fluage et le temps à la rupture des roches. Le modèle de fluage proposé a été validé contre des résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Les paramètres de modèle ont été obtenus par une calibration sur une partie des résultats expérimentaux. La capacité de prédiction du model calibré est testé sur l'autre partie des résultats expérimentaux. Les bonnes corrélations entre les résultats expérimentaux et le model de fluage indiquent que le modèle de fluage proposé peut décrire et prédire les déformations de fluage et la rupture de la phase tertiaire des roches.  ABSTRACT: Ore pillar recovery requires backfill to be stable upon side exposure. Understanding the geomechanical behavior and determining the minimum required cohesion (cmin) of side-exposed backfill are important for ensuring safe and economic mining productions. Most previous studies evaluated the stability of side-exposed backfill by considering three or two immobile confining walls of one isolated stope. The solutions were validated against experimental results of box instability tests on very soft backfill. In practice, backfill is usually exposed after long enough curing time when it becomes strong (and hard) enough. Significant closure of rock walls occurs due to adjacent excavation and creep behavior of rock walls. A good understanding of the influence of rock wall closure on the stability and the cmin of side-exposed backfill is needed. To this end, three-dimensional numerical simulations were conducted with FLAC3D to evaluate the stability and determine the cmin of side-exposed backfill by considering the instantaneous closure of rock walls due to adjacent extraction. The instability of side-exposed backfill is determined by evaluating the yield zones coalescence. Numerical results show that when the mine depth and rock-wall closure are small, the governing failure mechanism is sliding. Small rock-wall closure improves the stability of side-exposed backfill. The cmin decreases with the increase of mine depth, fill stiffness, rock pressure coefficient, and fill-rock interface strength (friction angle and adhesion). Increasing rock mass stiffness, stope height and width leads to an increase in cmin. When the mine depth and rock-wall closure are large, crushing becomes the dominant failure mechanism of side-exposed backfill. The cmin becomes insensitive to the variation of fill-rock interface strength. It increases with the increase of mine depth, stope height and length, fill stiffness and rock pressure coefficient and decreases with the increase of stope width and rock mass stiffness. In all cases, the stability of side-exposed backfill can be improved by using backfill of larger internal frictional angle. A further numerical study was conducted using FLAC3D to evaluate the time-dependent stability of side-exposed backfill associated with creep deformation of rock walls. The evolution of mechanical properties of cemented backfill with curing time is considered. Numerical results show that the open period of primary stope does not significantly affect the stability and cmin of side-exposed backfill. When the mine depth is small or/and the rock mass exhibits little creep, it is better to wait longer time before excavating the adjacent stope for backfill to gain more strength. When the mine depth is large or/and the rock mass exhibits heavy creep, the instability of side-exposed backfill can be dictated by crushing failure. Simply increasing binder content of backfill may not be the best choice because a stronger backfill is also harder, and more prone to be crushed. Rather, a softer backfill using lower binder content or/and with a shorter curing time can be better. Once mined out, the adjacent secondary stope should be filled as soon as possible to prevent failure of side-exposed backfill. An optimization of sizes of the primary and secondary stopes is needed to minimize the overall cost of backfill. The stiffness of backfill has been shown to be an important influencing factor on the stability and cmin of side-exposed backfill. It was however considered as a constant in the commonly used Mohr-Coulomb elasto-plastic model. A comparative study is thus necessary to identify a constitutive model applicable to describing the stress-dependent compressibility of uncemented or low-cement content backfill. The applicability of the Mohr-Coulomb elasto-plastic, double-yield, and Soft Soil models is assessed by numerically reproducing some existing laboratory results, obtained by one-dimensional consolidation tests and consolidated drained triaxial compression tests on lowly cemented backfill. Results show that the Soft Soil model can properly describe the compressibility of lightly cemented backfill with small cohesions. The application of the Mohr-Coulomb model and double-yield model shows poor description on the compressibility of the backfill submitted to large and cycle loading. Consideration of creep effect on the stability analysis of side-exposed backfill needs a proper constitutive creep model for rocks. One first noted that most creep models cannot represent the delayed failure of rocks. One also noted the common application of curve-fitting technique in previous studies on all available experimental results of creep strain to obtain one or several sets of model parameters. The predictive capability of creep model for untested conditions is unknown. Therefore, a new creep model is developed to describe and predict the creep strain and time to failure of rocks. The developed creep model is validated against some experimental results available in the literature. The model parameters are obtained by calibration on a part of experimental results. Validity of the calibrated model is tested by predicting the other part of test results. The quite good agreements between the experimental results and creep model indicate that the developed creep model can describe and predict the creep strain and delayed failure of rocks.