identifier: Guilhen, L. (2020). C3PO : Une ontologie développée pour le pilotage de la production fromagère au Québec  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: À l'image de tous les autres secteurs, les PME manufacturières dans l'industrie fromagère sont soumises à une réalité économique difficile. La récente modification des accords de libre-échange nord-américain ainsi que l'introduction rapide des nouvelles technologiques numériques adaptées au secteur manufacturier ont imposé plus de pression sur les petits artisans fromagers. Ces derniers doivent à la fois améliorer leur productivité tout en assurant une qualité de produit répondant aux exigences à la fois de la clientèle, mais aussi respecter la régulation agroalimentaire, et cela en maintenant des coûts d'exploitation réduits. Ces nouvelles technologies, rassemblées sous le giron de l'industrie 4.0, permettent de regrouper l'ensemble des ressources des entreprises au sein de systèmes d'information tels que les systèmes de gestion intégrée (ERP) ou les systèmes d'exécution manufacturière (MES). Ils facilitent ainsi la prise de décision basée sur des données pertinentes en temps réel. Ces systèmes, auparavant utilisés par les grandes entreprises pour lesquelles ils ont été développés, doivent donc être adaptés pour le secteur fromager dans lequel ils sont pratiquement inexistants. Face à ce constat, le Centre d'Expertise Fromagère du Québec (CEFQ) a lancé un projet de grande envergure afin de doter les fromagers artisans du Québec d'outils modernes leur permettant de faire face à cette nouvelle réalité. L'ontologie est un outil très ancien utilisé dans de nombreux domaines, allant de la philosophie à l'anthropologie, de la médecine à l'informatique. L'ontologie désigne un modèle de données permettant de représenter un ensemble de concepts dans un domaine, ainsi que les relations liant ces concepts. Son emploi permet d'exploiter les objets du domaine concerné, avec raison. La variété et l'hétérogénéité des données et le vocabulaire inter- ou intradomaine représentent une difficulté que les ontologies peuvent permettre de surmonter en proposant un vocabulaire commun liant les différentes sources de données. Malgré l'intérêt croissant de la communauté scientifique pour les atouts représentés par l'industrie 4.0, il semble qu'aucun outil ou aucune ontologie ne permettent aujourd'hui de représenter de manière suffisamment globale les données spécifiques au pilotage d'une fromagerie au Québec. De nombreuses études et projets ont porté sur certains aspects de la transformation fromagère, mais nos recherches montrent qu'à ce stade, il n'existe pas d'outil proposant un modèle standard. De ce fait, nous avons donc proposé le développement d'une ontologie d'application permettant la représentation des concepts clés liés à la transformation fromagère, ainsi que leurs liens. Elle permet ainsi de saisir le fonctionnement d'une fromagerie, et constitue de ce fait un premier pas vers le développement futur d'outils modernes permettant de tirer parti des leviers de l'industrie 4.0. En effet, cette ontologie pourra être utilisée afin de mettre en oeuvre diverses techniques de valorisation de données en fromageries au Québec, et permettra le développement d'un outil de pilotage de la transformation fromagère. La méthodologie DRM (Design Research Methodology) a été employée afin de diriger le développement de l'ontologie. Cette méthodologie allie à la fois des études empiriques et des études scientifiques. Une étape de validation de l'ontologie a été réalisée, mettant à profit un cas d'étude portant sur la production d'un fromage Cheddar. Cette évaluation a permis de vérifier la pertinence logique et sémantique de l'ontologie proposée.  ABSTRACT: Just like all other economic sectors, manufacturing SMEs in the cheese industry are subject to a difficult economic reality. The recent modification of North American free trade agreements and the rapid introduction of new digital technologies adapted to the manufacturing sector have put more pressure on small artisanal cheese makers. They must both improve their productivity while ensuring product quality that meets customer requirements and comply with agri-food regulations while maintaining low operating costs. These new technologies, bundled within Industry 4.0, make it possible to group all company resources within information systems such as integrated management systems (ERP) or manufacturing execution systems (MES). They thus facilitate decision-making based on relevant data in real time. These systems, previously used by the large companies for which they were developed, must therefore be adapted for the cheese sector in which they are practically non-existent. Faced with this situation, the Centre d'Expertise Fromagère du Québec (CEFQ) has launched a large-scale project to provide Quebec's artisanal cheese makers with the modern tools they need to deal with this new reality. Ontology is a very old tool used in many fields, from philosophy to anthropology, from medicine to computer science. It refers to a data model used to represent a set of concepts in a given domain, as well as the relationships linking these concepts. Its use makes it possible to exploit the objects of the domain concerned, and rightly so. The variety and heterogeneity of the data and the inter-or intra-domain vocabulary represent a difficulty that ontologies can help overcome by proposing a common vocabulary linking the different data sources. Despite the growing interest of the scientific community for the benefits represented by Industry 4.0, it seems that no tool or ontology today makes it possible to represent in a sufficiently global manner the data specific to the management of a cheese factory in Quebec. Numerous studies and projects have dealt with certain aspects of cheese processing, but our research shows that, at this stage, there is no tool offering a standard model. Therefore, we have proposed the development of an application ontology to represent the key concepts related to cheese processing and their interrelations. This ontology allows the understanding of the functioning of a cheese factory, and thus constitutes a first step towards the future development of modern tools that will allow to take advantage of the levers of the 4.0 industry. Indeed, this ontology could be used to implement various data enhancement techniques in Quebec cheese factories, and will allow the development of a tool for managing cheese processing. The Design Research Methodology (DRM) was used to direct the development of the ontology. This methodology combines both empirical and scientific studies. An ontology validation stage was carried out, using a case study on the production of a Cheddar cheese. This assessment made it possible to verify the logical and semantic relevance of the proposed ontology.


identifier: Aubin, V. (2020). Modélisation de ressources hydroélectriques dans un contexte d'intégration des énergies renouvelables variables  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Dans le contexte actuel où l'on essaie de réduire la dépendance de nos sociétés aux combustibles fossiles, on prévoit une grande croissance des sources d'énergie renouvelable variable (EnRV), telles que l'éolien et le solaire, au sein des réseaux énergétiques dans les prochaines années [26]. Leur intégration aux réseaux électriques augmente les défis liés à l'adéquation de l'offre à la demande. Si elles représentent une forte proportion de la puissance installée, l'imprévisibilité et les fluctuations de leur production deviennent un enjeu. Les EnRV doivent donc être combinées à des technologies offrant de la flexibilité en termes de gestion du réseau, flexibilité que peuvent fournir, outre l'ajustement de la demande, les dispositifs de stockage ainsi que les centrales permettant des variations rapides de production. Certaines centrales hydroélectriques peuvent stocker de l'énergie grâce à leurs réservoirs. Leurs groupes turbine-alternateur rendent possibles des ajustements rapides de la puissance générée grâce à leurs courts délais de démarrage et d'arrêt, à leur plage de réglage et à leur inertie. L'hydroélectricité, énergie peu coûteuse, renouvelable et faiblement émettrice de gaz à effet de serre dans les régions nordiques, a le potentiel de faciliter l'intégration des EnRV. Ces dernières années, l'intérêt grandit à l'endroit des parcs de production hydroélectrique de grande taille, car on estime qu'ils peuvent soutenir la décarbonation de leurs réseaux électriques voisins. L'objectif de ce mémoire consiste à analyser les impacts potentiels de la croissance des EnRV au sein des réseaux voisins sur un tel parc de production, en l'occurrence celui d'Hydro-Québec. Les travaux présentés ont été réalisés au sein de l'unité Optimisation et Modélisation Mathématique de la Direction Production et Exploitation d'Hydro-Québec Production. Leurs modèles opérationnels de gestion de la production sont adaptés pour tenir compte des nouvelles dynamiques associées à la croissance des EnRV. Les ajustements effectués aux modèles permettent qu'ils rendent compte du processus d'achat et de vente sur le marché de l'électricité, et des contraintes qui le régissent. Les modèles adaptés permettent de simuler l'opération du parc de production en supposant différents bouquets énergétiques chez ses réseaux voisins, qui sont intégrés à la modélisation par les différents profils de prix courants de l'électricité qu'ils pourraient générer. Les analyses avec le modèle à moyen terme, utilisé pour des horizons de quelques années, mettent en valeur les fluctuations que connaissent les profils de production, d'échanges et de puissance disponible pour entretien. Par ailleurs, un potentiel intéressant de stockage apparaît.  ABSTRACT: significant growth of variable renewable energy sources (VRE) such as wind and solar within the energy networks is foreseen in the next years [26]. Their integration into electricity grids poses challenges in terms of matching supply to demand. If VRE represent a large proportion of installed capacity, the unpredictability and fluctuations of their production become an issue. VRE must therefore be combined with technologies offering flexibility in terms of network management. This flexibility can be provided by storage devices as well as power plants allowing rapid variations in production. Hydropower plants can store energy using their reservoirs. Their turbine-generator units can quickly change the power generated through short start-up and shutdown times, adjustment range and inertia. Hydropower has the potential to facilitate the integration of VRE, in addition to being inexpensive, renewable and low-greenhouse gas-emitting in northern regions. In recent years, interest has grown towards large hydropower generating fleets, as it is believed that they can support the decarbonization of their neighboring power grids. The objective of this thesis is to analyze the potential impacts of the growth of VRE within neighboring networks on such a production fleet, in this case that of Hydro-Québec. The work presented was carried out within the Optimization and Mathematical Modeling unit of the Production and Operation Department of Hydro-Québec Production. Their operational production management models are adapted to take into account the new dynamics associated with the growth of VRE. The adjustments made to the models allow them to reflect the buying and selling process on the electricity market, and the constraints that govern it. The adapted models simulate the operation of the generation fleet by assuming different energy mixes in neighboring networks, which are integrated into the modeling by the different profiles of electricity spot prices that they could generate. Analyzes with the medium-term model, used for horizons of a few years, highlight the fluctuations experienced by production profiles, exchange profiles and power available for maintenance. In addition, an interesting potential for storage appears. The results of the medium-term simulations are also used to study the behavior of the fleet under these new conditions with the short-term model for horizons of a few days. New patterns of engagement of the turbine-generator units emerge, but the number of start-up and shutdown maneuvers as well as the flows in rivers do not seem to be significantly disturbed.


identifier: Olewicki, D. (2020). On the Cost and Value of Build Automation  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'Intégration Continue (CI) est un processus de développement par lequel des changements de code d'un projet sont régulièrement testés et validés, souvent de manière quotidienne, afin de pouvoir mettre à jour plus régulièrement un produit. Ce système est de plus en plus utilisé notamment dans de grosses compagnies qui doivent gérer la participation de nombreux collaborateurs à un projet/produit commun. La validation du maintien de la qualité logicielle d'un produit est primordiale pour que le produit puisse être employé en continu par ses utilisateurs. Afin de faciliter cette intégration continue, les gestionnaires CI font souvent appel à des systèmes de builds automatisés: un build est une vérification de code via une compilation et un/des test(s) dans des conditions variées (différentes plateformes, versions, etc.). La gestion automatisée de ces builds permet aux systèmes de tester la validation de code à chaque arrivée de changements de code.  ABSTRACT: Continuous Integration (CI) has become the core infrastructure of modern software organizations, enabling them to update projects more regularly (i.e., daily) while keeping the quality of the code valid and relevant. However, with more than 100,000 automated build jobs triggered each day by, for example, the Mozilla CI, build automation comes with a financial and time cost that should not be neglected. Through this thesis, we aim at validating the hypothesis that the cost of build automation is not negligible and that the build activity could be reduced. This thesis presents the results of a quantitative study of the CI over the course of 20 months, analyzing over 54 million Mozilla build jobs to identify the cost of build automation triggered for each code change as well as a build reduction proposition, focusing on the case of brown builds at Ubisoft.


identifier: Boucenna, M. M. (2020). Méthode d'exploration visuelle de données de sondage destinée à un utilisateur novice  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les sondages sont un moyen efficace de sonder l'opinion d'une population à partir d'un échantillon. Une fois le sondage administré, une analyse des réponses récoltées doit se faire en combinant des outils statistiques, de la programmation et de la visualisation de données. Cependant, avec l'accroissement du nombre de questions et la complexité des données, l'analyse de ces données peut vite devenir une tâche ardue pour un utilisateur novice ayant un bagage limité en visualisation de données et programmation. L'étude suivante porte sur la conception d'un outil d'exploration visuelle destiné à un public novice. Cet outil pourrait, par exemple, être pertinent pour des étudiants du premier cycle en sciences politiques ayant des connaissances basiques en visualisation de données. L'objectif de cette étude est de proposer un outil de visualisation qui permette à un utilisateur novice d'explorer efficacement ses données de sondage. Nous avons d'abord identifié les principales tâches d'exploration réalisées par notre public cible : distribution, relation entre les variables et évolution temporelle. Puis, nous avons analysé les diverses recommandations, disponibles dans la littérature, concernant la conception d'outils d'exploration adaptés à un public novice.  ABSTRACT: Polls are an effective way to survey the opinion of a population from a sample. Once the survey is administered, an analysis of the responses collected must be done by combining statistical tools, programming and data visualization. However, with the increased number of questions and the complexity of the data, analyzing this data can quickly become a daunting task for a novice user with limited background in data visualization and programming. The following study involves the design of a visual exploration tool for a novice audience. This tool could, for example, be relevant for undergraduate political science students with basic knowledge in data visualization. The objective of this study is to provide a visualization tool that allows a novice user to effectively explore their survey data. We first identified the main exploration tasks performed by our target audience: distribution, relationship between variables and time evolution. Then, we analyzed the various recommendations, available in the literature, regarding the design of exploration tools suitable for a novice audience.


identifier: Magnoux, V. F. (2020). Découpage virtuel interactif de corps élastiques pour simulation chirurgicale  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La simulation chirurgicale dans un environnement de réalité virtuelle fournit un moyen de pratiquer certaines opérations sans les risques associés à une intervention sur un patient ou le coût d'un mannequin. Afin de générer un sentiment de présence, on cherche à produire un environnement le plus complet possible, incluant une vision 3D, un retour haptique, des interactions crédibles et un comportement physique réaliste des objets présents. La recherche présentée ici porte sur la simulation physique du comportement d'organes mous, comme le foie ou le cerveau, ainsi que sur le découpage de ces organes à l'aide d'un scalpel, une interaction particulièrement difficile à reproduire virtuellement de façon réaliste. L'objectif principal est de développer une méthode de déformation à la fois réaliste et efficace, et de permettre à un utilisateur de découper interactivement un objet simulé par cette méthode, à l'aide d'un outil tranchant virtuel. De plus, nous voulons que la déformation et les interactions soient décrites avec une grande précision, tout en permettant d'effectuer les calculs très rapidement, pour une interaction fluide qui maintient le sentiment de présence.''  ABSTRACT: Surgery simulation in a virtual reality environment provides a way to practice certain operations without the risks associated with performing surgery on a patient or the cost of using arealistic dummy. To facilitate immersion, we seek to produce an environment as complete as possible, including 3D vision, haptic feedback, credible interactions and a realistic physical behavior of simulated objects. The research presented in this document focuses on the physical behavior of soft organs, like the brain or liver, and on cutting these organs using a scalpel. It is especially difficult to reproduce virtually that interaction in a realistic way. The main objective is to develop a deformation method that is both realistic and efficient, and to allow a user to interactively cut an object simulated through this method, using a virtual sharp tool. Furthermore, we want the deformation and interactions to be described with high precision while allowing for fast computations, for a smooth interaction that maintains immersion.''


identifier: Michelon, P. (2020). Technique adaptative pour la méthode de Galerkin sans maillage en mécanique des milieux continus  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

format: text video

rights: copyright copyright

abstract: RÉSUMÉ: La Méthode de Galerkin Sans Maillage (MGSM) est une variante de la Méthode des Éléments Finis (MEF) utilisant un nuage de points non connectés par un maillage. Nous utilisons cette technique de l'analyse numérique pour approximer des problèmes d'élasticité linéaire se posant lors de la réalisation d'un simulateur de chirurgie. Ce travail traite d'un module d'adaptation permettant de relocaliser les degrés de liberté pour augmenter l'efficience de la MGSM. Il est composé d'un estimateur d'erreur reposant sur la décomposition polaire du gradient du déplacement. Un second sous-module consiste en un critère d'adaptation permettant de décider quelles parties de l'objet subdiviser ou décimer selon l'estimation de l'erreur. Enfin, on transforme ces parties en ajoutant ou retirant des degrés de liberté en respectant la structure régulière adoptée par le simulateur. Nous comparons ensuite le modèle avec et sans adaptabilité à une solution analytique dans une configuration de poutre encastrée soumise à la gravité. Nous effectuons en outre un test vérifiant que l'adaptation réagit convenablement à des déformations dynamiques. Nos résultats montrent que notre méthode n'est pas gourmande en temps de calcul, mais qu'elle augmente l'erreur contrairement à notre hypothèse de départ. Cela est dû aux discontinuités entre les milieux ayant été adaptés à différents niveaux. Autrement, tous nos objectifs relatifs au fonctionnement de l'adaptation, c'est-à-dire l'estimation de l'erreur, le critère d'adaptation, la subdivision et la décimation sont fonctionnels et validés.  ABSTRACT: The Element Free Galerkin Method (EFG) is a variant of the Finite Element Method (FEM) using a cloud of points instead of a mesh. We use this numerical analysis technique to solve linear elasticity problems arising during the realization of a surgery simulator. This work deals with an adaptation module allowing to relocate the degrees of freedom to increase the efficiency of EFG. It is composed of an error estimator based on the polar decomposition of the displacement gradient. A second sub-module consists of an adaptation criterion making it possible to decide which parts of the object to refine or decimate according to the estimate of the error. Finally, these parts are transformed by adding or removing degrees of freedom while respecting the regular structure adopted by the simulator. We then  compare to an analytical solution the model with and without adaptivity in a fixed beam configuration subjected to gravity. We also carry out a test verifying that the adaptation reacts suitably to dynamic deformations. Our results show that that our method is not greedy in computing time but that it increases the error, contrary to our initial hypothesis. This is due to the discontinuities in the parts of the object having been adapted at different levels. Otherwise, all our objectives relating to the functioning of the adaptation, which are the error estimator, the adaptation criterion, the subdivision and the decimation are functional and validated.


identifier: Cao, Y. (2020). Accurate Localization with Ultra-Wideband Ranging for Multi-Robot Systems  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec l'avancement de la technologie matérielle et logicielle, l'application de l'automatisation et de la robotique se développe rapidement. Les systèmes multi-robots sont particulièrement prometteurs en raison de leur grande efficacité et robustesse. De tels systèmes peuvent être utilisés pour aider les humains à effectuer efficacement des tâches dangereuses ou pénibles, telles que l'intervention en cas de catastrophe, l'exploration souterraine, etc. Pour déployer un système multi-robot dans un environnement sans GPS, la coordination des robots dans le système est un défi crucial. Chaque robot doit avoir une estimation précise de sa propre position pour permettre aux robots du système de collaborer pour la réalisation de leur tâche. Comme cette direction de recherche est relativement nouvelle, les approches existantes ne sont pas encore abouties. Elles consistent principalement en des systèmes centralisés qui reposent sur des signaux GPS. La dépendance sur un signal GPS limite l'application aux espaces extérieurs ouverts. De plus, les systèmes centralisés sont confrontés au risque d'un point de défaillance unique, qui limite la robustesse du système. Par ailleurs, un système centralisé n'est pas toujours approprié à une taille grandissante, comme lors d'ajout de nouveaux groupes de robots ou lors de la fusion de différents groupes. Par conséquent, une solution distribuée, décentralisée, et adaptée à de larges groupes de tailles variables pouvant produire une estimation et un suivi du positionnement des robots dans un environnement sans GPS est souhaitée. Dans ce travail, nous adoptons une stratégie descendante pour relever ces défis.  ABSTRACT: With the advancement of hardware and software technology, the everyday applications of automation and robotics are developing rapidly. Multi-robot systems are particularly promising because of their high efficiency and robustness. Such systems can be used to assist humans in performing dangerous or strenuous tasks, such as disaster response, subterranean exploration, etc. To deploy a multi-robot system in an environment without a global positioning system (GPS), coordinating the robots in the system is a crucial challenge. Each robot needs to have the correct tracking of its own and its teammates positions to enable the robots to cooperate. Because this research direction is relatively new, there are not many mature methods: existing approaches are mainly centralized systems that rely on GPS signals. The dependence on GPS restricts the application to the outdoors or indoor spaces with expensive infrastructure. Centralized systems also face the risk of a single point of failure, which is not acceptable for critical systems. In addition, centralized systems can be hard to scale both statically and dynamically (e.g. adding new groups of robots or merging different groups). Therefore, a distributed and scalable solution with accurate positioning and tracking in a GPS-denied environment is desired. In this work, we follow a top-down strategy to address these challenges.


identifier: Damseh, R. (2020). Anatomical Modeling of Cerebral Microvascular Structures: Application to Identify Biomarkers of Microstrokes  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux microvasculaires corticaux sont responsables du transport de l'oxygène et des substrats énergétiques vers les neurones. Ces réseaux réagissent dynamiquement aux demandes énergétiques lors d'une activation neuronale par le biais du couplage neurovasculaire. Afin d'élucider le rôle de la composante microvasculaire dans ce processus de couplage, l'utilisation de la modélisation in-formatique pourrait se révéler un élément clé. Cependant, la manque de méthodologies de calcul appropriées et entièrement automatisées pour modéliser et caractériser les réseaux microvasculaires reste l'un des principaux obstacles. Le développement d'une solution entièrement automatisée est donc important pour des explorations plus avancées, notamment pour quantifier l'impact des mal-formations vasculaires associées à de nombreuses maladies cérébrovasculaires. Une observation courante dans l'ensemble des troubles neurovasculaires est la formation de micro-blocages vascu-laires cérébraux (mAVC) dans les artérioles pénétrantes de la surface piale. De récents travaux ont démontré l'impact de ces événements microscopiques sur la fonction cérébrale. Par conséquent, il est d'une importance vitale de développer une approche non invasive et comparative pour identifier leur présence dans un cadre clinique. Dans cette thèse,un pipeline de traitement entièrement automatisé est proposé pour aborder le prob-lème de la modélisation anatomique microvasculaire. La méthode de modélisation consiste en un réseau de neurones entièrement convolutif pour segmenter les capillaires sanguins, un générateur de modèle de surface 3D et un algorithme de contraction de la géométrie pour produire des mod-èles graphiques vasculaires ne comportant pas de connections multiples. Une amélioration de ce pipeline est développée plus tard pour alléger l'exigence de maillage lors de la phase de représen-tation graphique. Un nouveau schéma permettant de générer un modèle de graphe est développé avec des exigences d'entrée assouplies et permettant de retenir les informations sur les rayons des vaisseaux. Il est inspiré de graphes géométriques déformants construits en respectant les morpholo-gies vasculaires au lieu de maillages de surface. Un mécanisme pour supprimer la structure initiale du graphe à chaque exécution est implémenté avec un critère de convergence pour arrêter le pro-cessus. Une phase de raffinement est introduite pour obtenir des modèles vasculaires finaux. La modélisation informatique développée est ensuite appliquée pour simuler les signatures IRM po-tentielles de mAVC, combinant le marquage de spin artériel (ASL) et l'imagerie multidirectionnelle pondérée en diffusion (DWI). L'hypothèse est basée sur des observations récentes démontrant une réorientation radiale de la microvascularisation dans la périphérie du mAVC lors de la récupéra-tion chez la souris. Des lits capillaires synthétiques, orientés aléatoirement et radialement, et des angiogrammes de tomographie par cohérence optique (OCT), acquis dans le cortex de souris (n = 5) avant et après l'induction d'une photothrombose ciblée, sont analysés. Les graphes vasculaires informatiques sont exploités dans un simulateur 3D Monte-Carlo pour caractériser la réponse par résonance magnétique (MR), tout en considérant les effets des perturbations du champ magnétique causées par la désoxyhémoglobine, et l'advection et la diffusion des spins nucléaires. Le pipeline graphique proposé est validé sur des angiographies synthétiques et réelles acquises avec différentes modalités d'imagerie. Comparé à d'autres méthodes effectuées dans le milieu de la recherche, les expériences indiquent que le schéma proposé produit des taux d'erreur géométriques et topologiques amoindris sur divers angiogrammes. L'évaluation confirme également l'efficacité de la méthode proposée en fournissant des modèles représentatifs qui capturent tous les aspects anatomiques des structures vasculaires. Ensuite, afin de trouver des signatures de mAVC basées sur le signal IRM, la modélisation vasculaire proposée est exploitée pour quantifier le rapport de perte de signal intravoxel minimal lors de l'application de plusieurs directions de gradient, à des paramètres de séquence variables avec et sans ASL. Avec l'ASL, les résultats démontrent une dif-férence significative (p <0,05) entre le signal calculé avant et 3 semaines après la photothrombose. La puissance statistique a encore augmenté (p <0,005) en utilisant des angiogrammes capturés à la semaine suivante. Sans ASL, aucun changement de signal significatif n'est trouvé. Des rapports plus élevés sont obtenus à des intensités de champ magnétique plus faibles (par exemple, B0 = 3) et une lecture TE plus courte (<16 ms). Cette étude suggère que les mAVC pourraient être carac-térisés par des séquences ASL-DWI, et fournirait les informations nécessaires pour les validations expérimentales postérieures et les futurs essais comparatifs.  ABSTRACT: Cortical microvascular networks are responsible for carrying the necessary oxygen and energy substrates to our neurons. These networks react to the dynamic energy demands during neuronal activation through the process of neurovascular coupling. A key element in elucidating the role of the microvascular component in the brain is through computational modeling. However, the lack of fully-automated computational frameworks to model and characterize these microvascular net-works remains one of the main obstacles. Developing a fully-automated solution is thus substantial for further explorations, especially to quantify the impact of cerebrovascular malformations associ-ated with many cerebrovascular diseases. A common pathogenic outcome in a set of neurovascular disorders is the formation of microstrokes, i.e., micro occlusions in penetrating arterioles descend-ing from the pial surface. Recent experiments have demonstrated the impact of these microscopic events on brain function. Hence, it is of vital importance to develop a non-invasive and translatable approach to identify their presence in a clinical setting. In this thesis, a fully automatic processing pipeline to address the problem of microvascular anatom-ical modeling is proposed. The modeling scheme consists of a fully-convolutional neural network to segment microvessels, a 3D surface model generator and a geometry contraction algorithm to produce vascular graphical models with a single connected component. An improvement on this pipeline is developed later to alleviate the requirement of water-tight surface meshes as inputs to the graphing phase. The novel graphing scheme works with relaxed input requirements and intrin-sically captures vessel radii information, based on deforming geometric graphs constructed within vascular boundaries instead of surface meshes. A mechanism to decimate the initial graph struc-ture at each run is formulated with a convergence criterion to stop the process. A refinement phase is introduced to obtain final vascular models. The developed computational modeling is then ap-plied to simulate potential MRI signatures of microstrokes, combining arterial spin labeling (ASL) and multi-directional diffusion-weighted imaging (DWI). The hypothesis is driven based on recent observations demonstrating a radial reorientation of microvasculature around the micro-infarction locus during recovery in mice. Synthetic capillary beds, randomly- and radially oriented, and op-tical coherence tomography (OCT) angiograms, acquired in the barrel cortex of mice (n=5) before and after inducing targeted photothrombosis, are analyzed. The computational vascular graphs are exploited within a 3D Monte-Carlo simulator to characterize the magnetic resonance (MR) re-sponse, encompassing the effects of magnetic field perturbations caused by deoxyhemoglobin, and the advection and diffusion of the nuclear spins. The proposed graphing pipeline is validated on both synthetic and real angiograms acquired with different imaging modalities. Compared to other efficient and state-of-the-art graphing schemes, the experiments indicate that the proposed scheme produces the lowest geometric and topological error rates on various angiograms. The evaluation also confirms the efficiency of the proposed scheme in providing representative models that capture all anatomical aspects of vascular struc-tures. Next, searching for MRI-based signatures of microstokes, the proposed vascular modeling is exploited to quantify the minimal intravoxel signal loss ratio when applying multiple gradient di-rections, at varying sequence parameters with and without ASL. With ASL, the results demonstrate a significant difference (p<0.05) between the signal-ratios computed at baseline and 3 weeks after photothrombosis. The statistical power further increased (p<0.005) using angiograms captured at week 4. Without ASL, no reliable signal change is found. Higher ratios with improved significance are achieved at low magnetic field strengths (e.g., at 3 Tesla) and shorter readout TE (<16 ms). This study suggests that microstrokes might be characterized through ASL-DWI sequences, and provides necessary insights for posterior experimental validations, and ultimately, future transla-tional trials.


identifier: Guo, T. (2020). Simultaneous Data Communication and Power Transfer Technique with Multiport Interferometric Receiver  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le problème de la communication est généralement présenté comme un problème de trans-mission d'un message généré d'un point a un autre. Certains systèmes de communication modernes sou˙rent de contraintes énergétiques sévères. Avec le développement rapide des systèmes électroniques sans fil de faible puissance, d'innombrables activités de recherche ont été menées en vue d'explorer la faisabilité d'une alimentation à distance ou sans fil de ces systèmes. Par conséquent, la transmission d'énergie sans fil (WPT) est en cours de développe-ment en tant que technique prometteuse pour alimenter des appareils électroniques à distance et pour prolonger la durée de vie des réseaux sans fil à contrainte d'énergie. Parmi les éner-gies renouvelables récoltées dans l'environnement, les signaux RF rayonnés par les émetteurs peuvent être une ressource viable pour le transfert d'énergie sans fil, tandis que les signaux RF ont été largement utilisés comme véhicule pour la transmission d'informations sans fil (WIT). Par conséquent, le transfert simultané d'informations et la plateforme de transfert de puissance sans fil (SWIPT) deviennent bénéfiques, car il réalise les deux utilisations utiles des signaux RF en même temps et il o˙re ainsi potentiellement une grande commodité aux utilisateurs mobiles. L'antenne redresseuse, qui combine des fonctionnalités du redresseur et de l'antenne, est un élément clé pour la transmission et la récolte d'énergie sans fil. L'eÿcacité de conversion du circuit de redressement détermine les performances globales de l'antenne redresseuse. Par conséquent, pour concevoir une antenne redresseuse à haute eÿcacité qui peut garantir la qualité d'un système WPT, il convient de se concentrer davantage sur l'investigation, l'analyse et le développement de redresseurs axés sur les performances en référence à une eÿcacité de conversion radio fréquence à courant continu. D'un autre côté, les circuits redresseurs peuvent simplement récupérer l'énergie et ils ne peuvent pas décoder le signal transmis pour fins de communication. Cependant, la transmission de données est une exigence essentielle des systèmes de communication sans fil. Par conséquent, si la capacité de détection et de traitement du signal peut être ajoutée à une architecture antenne redresseuse, un récepteur avec transmission de puissance sans fil et communication de données simultanées peut être réalisé. Ce mémoire vise à étudier et à démontrer un récepteur de multifonction et de multiport qui a la capacité de collecter simultanément l'énergie sans fil et les données de communication fonctionnant à la fréquence des microondes.  ABSTRACT: The problem of communication is usually cast as one of transmitting a message generated at one point to another point. Some modern communication systems are known to suffer from severe energy constraints and power consumptions. With the rapid development of low power wireless electronic systems, countless research activities have been carried out to explore the feasibility of a remote or wireless powering of those systems. Therefore, wireless power transmission (WPT) is being developed as a promising technique, for powering electronic devices over distance and for prolonging the lifetime of energy constrained wireless networks. Among the renewable energy harvested from the environment, the RF signals radiated by transmitters can be a viable resource for wireless power transfer, while RF signals have been widely used as a vehicle for wireless information transmission (WIT). Therefore, simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) platform becomes appealing since it realizes both useful utilizations of RF signals at the same time, and thus potentially offers great convenience to mobile users. The rectenna, combining the functionalities of rectifier and antenna, is a key element for wireless power transmission and harvesting. The conversion efficiency of the rectifying circuit determines the overall performance of the rectenna. Therefore, to design a high-efficiency rectenna that can guarantee the quality of a WPT system, more focus should be concentrated on the investigation, analysis and development performance-driven rectifiers with reference to high RF-to-DC conversion efficiency. On the other hand, rectenna circuits can just scavenge energy and they cannot decode the transmitted signal for communication purpose. How-ever, the data transmission is an essential requirement of wireless communication systems. Therefore, if the ability of signal detection and processing can be added to a rectenna architecture then a multi-function receiver with simultaneous wireless power transmission and data communication can be realized.This dissertation aims to investigate and demonstrate a multi-function and multi-port receiver with the capability of simultaneous wireless energy harvesting and data communication operating at microwave frequency. To achieve these goals, it becomes interesting when a single receiver chain is able to convert the RF power to DC power, while at the same time converting the RF modulated signal to BaseBand (BB) signal. Therefore, the fundamental methodology to receive and convert the RF signal to BB while simultaneously harvesting power is derived and analyzed in this work.


identifier: Chandid, B. (2020). Empirical Use of Network Time Protocol in Internet of Things Devices: Vulnerabilities and Security Measures  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Network Time Protocol (NTP) est un protocole responsable de la synchronisation du temps dans les environnements de réseautique. Il est utilisé depuis plus de trente ans afin d'aider les appareils connectés à acquérir l'heure correcte depuis le réseau. Ce protocole sert entre autre à garantir les informations d'horodatage et la cryptographie des fichiers journaux. Il a également fait l'objet de nombreuses études visant à rendre ce pilier des réseaux et télécommunications plus sûr et plus robuste. Ceci dit, la synchronisation du temps est l'un des composants essentiels au bon fonctionnement des réseaux d'objets connectés (IoT) aussi. Il est primordial pour la planification des tâches, la tenue des journaux, la surveillance des différents comportements et la mise à jour du temps lors de l'utilisation de protocoles de chiffrement ou de mise en file d'attente dans ces réseaux. L'importance de ces facteurs clés peut être ressentie lorsqu'ils sont rendu non valides à cause de la composante temps, par exemple si l'heure est décalée ou est incorrecte lors de l'utilisation de dispositifs précis dépendant du temps. Cela entraîne un retard ou une négligence totale de la tâche, ce qui peut être dangereux si ces appareils sont utilisés dans une chaîne d'action au service de la vie humaine (soins de santé ou circulation de véhicules).  ABSTRACT: Network Time Protocol (NTP) is a protocol responsible for time synchronization in networking environments. It has been used for over three decades in order to help connected devices acquire the correct time over the network.It is implemented to ensure log file time stamp information and cryptography. It has also been the topic of many studies aiming at making this pillar of networking and telecommunications more secure and robust. Time synchronization is one of the essential ingredients needed for Internet of Things (IoT) networks to function correctly. It is important for scheduling tasks, keeping logs, monitoring different behaviors and for keeping the time concept up to date when using encryption or queuing protocols in these networks. These key factors can be noticed when they are tampered with such as if the time is incorrectly shifted during the use of accurate time dependent devices. This leads to the task being delayed or overlooked completely which can be dangerous if these devices are used in life-dependent chains of action (healthcare or traffic for example).


identifier: Farvacque, D. (2020). Re-BERT OQA : un système de question-réponse dans le domaine ouvert  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le présent mémoire, nous abordons la tâche de question-réponse dans le domaine ouvert, c'est-à-dire la tâche qui a pour but de répondre à une question en utilisant son corpus de connaissances (qu'il soit structuré ou non) comme seule ressource. Plus spécifiquement notre but est de proposer un système de question-réponse dans le domaine ouvert capable de répondre à des questions factuelles en utilisant Wikipédia comme corpus de connaissances. En général, ce genre de système se divise en deux modules. Le premier, responsable de la recherche d'information, permet de trouver des documents pertinents dans le corpus de connaissance. Le second, le module d'extraction de réponse, a pour objectif d'extraire des candidats de réponse provenant des documents précédemment sélectionnés puis de déterminer une réponse finale parmi les candidats. Dans les dernières années, les avancées dans le domaine de la compréhension de lecture automatique ont été une grande source d'inspiration pour le module d'extraction résultant en la création des systèmes de question-réponse dans le domaine ouvert les plus efficaces à ce jour.  ABSTRACT: In this thesis, we tackle the Open Domain Question-Answering task, where the goal is to be able to answer a question using a knowledge source (either structured like DBpedia or unstructured such as Wikipedia). Specifically, our goal is to propose an open domain questionanswering system capable of answering factoid questions using Wikipedia as knowledge source. In general, these types of systems are divided in two sub-modules. The first one, responsible of the information retrieval step, enables the system to find relevant documents in its knowledge source. The second, the answer extraction module, extracts answer candidates from the previously selected documents and then determines the final answer within the candidates. In recent years, the progress achieved in the machine reading comprehension field has driven the development of improved answer extraction modules resulting in the creation of the best open domain question answering systems to date.


identifier: Fiorini, A. (2020). Traçage et profilage de systèmes hétérogènes  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes hétérogènes sont de plus en plus présents dans tous les ordinateurs. En effet, de nombreuses tâches nécessitent l'utilisation de coprocesseurs spécialisés. Ces coprocesseurs ont permis des gains de performance très importants qui ont mené à des découvertes scientifiques, notamment l'apprentissage profond qui n'est réapparu qu'avec l'arrivée de la programmation multiusage des processeurs graphiques. Ces coprocesseurs sont de plus en plus complexes. La collaboration et la cohabitation dans un même système de ces puces mènent à des comportements qui ne peuvent pas être prédits avec l'utilisation d'analyse statique. De plus, l'utilisation de systèmes parallèles qui possèdent des milliers de fils d'exécution, et de modèles de programmation spécialisés, rend la compréhension de tels systèmes très difficile. Ces problèmes de compréhension rendent non seulement la programmation plus lente, plus couteuse, mais empêchent aussi le diagnostic de problèmes de performance.  ABSTRACT: Heterogeneous systems are becoming increasingly relevant and important with the emergence of powerful specialized coprocessors. Because of the nature of certain problems, like graphics display, deep learning and physics simulation, these devices have become a necessity. The power derived from their highly parallel or very specialized architecture is essential to meet the demands of these problems. Because these use cases are common on everyday devices like cellphones and computers, highly parallel coprocessors are added to these devices and collaborate with standard CPUs. The cooperation between these different coprocessors makes the system very difficult to analyze and understand. The highly parallel workload and specialized programming models make programming applications very difficult. Troubleshooting performance issues is even more complex. Since these systems communicate through many layers, the abstractions hide many performance defects.


identifier: Grichi, M. (2020). Towards Understanding Modern Multi-Language Software Systems  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Aujourd'hui, la plupart des applications et sites Web tels que Google et Facebook sont des systèmes multi-langages. Google est codé en C, C++, Go, Java, Python et JS. Facebook, quant à lui, utilise Hack, PHP, Python, C++, Java, Erlang, D, Haskell et JS. De plus, de précédentes études ont permis de constater que les développeurs PHP utilisaient régulièrement deux langages en plus du PHP. Les développeurs Java utilisent également le C/C++ avec du code Java à travers la Java Native Interface (JNI) qui permet d'appeler des fonctions natives à partir de méthodes Java et des méthodes Java à partir des fonctions natives. De plus, les développeurs d'applications Android préfèrent utiliser Android NDK (qui permet d'utiliser du code C/C++ avec Android) en plus de Java, plutôt que d'utiliser uniquement Java. Dans tous ces exemples, on observe le phénomène du développement multi-langage. Bien qu'il y ait, le plus souvent, un seul langage principal (Java ou C/C++) avec divers contributions dans d'autres langages (par exemple, bash ou make), les logiciels modernes sont de plus en plus hétérogènes dans le sens où ils combinent de multiples langages de programmation qui interagissent d'une façon significative avec le langage principal.  ABSTRACT: Today, most popular applications and websites such as Google and Facebook are multilanguage systems. Google is developed with C, C++, Go, Java, Python, and JS, while Facebook is using Hack, PHP, Python, C++, Java, Erlang, D, Haskell, and JS. Furthermore, previous research studies reported that PHP developers regularly use two languages besides PHP. Java developers also use C/C++ with Java code through the Java native interface (JNI) that allows to call native functions from Java methods and Java methods from native functions. Moreover, Android application developers prefer to use the Android NDK (allows to use C/C++ code with Android) along with Java compared to using only Java. In all these examples, we observe the phenomenon of multi-language development. While in many cases, there is one clear main language (e.g., Java or C/C++) with various smaller contributions from other languages (e.g., bash or make), increasingly more modern software are heterogeneous in the sense that they are composed of multiple programming languages that interact with the host language to a large extent.


identifier: Duperré, A. (2020). Guidage et planification réactive de trajectoire d'un drone monoculaire contrôlé par intelligence artificielle  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le problème de guidage autonome est un domaine de recherche en constante évolution. La popularisation des drones a étendu ce domaine de recherche au cours des dernières années. La nature de ce type d'engins amène plusieurs nouveaux défis à surmonter, notamment en lien avec la variété d'environnements auxquels ils peuvent être confrontés. Contrairement aux voitures autonomes, les drones se retrouvent souvent dans des milieux inconnus non cartographiés et dépourvus de signal GPS. De nouvelles méthodes ont donc été développées pour mitiger ces défis. Les solutions au problème de guidage autonome dans la littérature peuvent dans ce mémoire de maîtrise être classées dans deux catégories : le guidage réactif localement à des fins d'exploration et le guidage orienté. La première catégorie regroupe les solutions de guidage local d'engins naviguant sans destination précise alors que la seconde regroupe celles de guidage tentant d'atteindre une destination. Les deux catégories de guidage en milieu inconnu utilisent majoritairement des approches incluant l'apprentissage par renforcement ainsi que l'apprentissage par imitation. Cependant, peu d'études abordent le problème de guidage orienté dans des environnements complexes de grandeur nature. L'objectif de ce projet de recherche est donc de concevoir un agent intelligent capable d'imiter la logique de guidage d'un humain dans un environnement inconnu complexe en se basant sur la vision de profondeur et une estimation de sa destination. Une approche utilisant l'apprentissage par imitation est employée pour minimiser les coûts et les temps de calcul. Un environnement de simulation sophistiqué est donc mis sur place afin de créer un ensemble de données pour l'entraînement par imitation. L'ensemble de données qui a été créé comporte 624 trajectoires parmi 9 environnements différents effectuées par un expert suboptimal pour un total de 296 466 paires d'entraînement. L'attributif suboptimal est employé pour qualifier l'humain à imiter puisque ce dernier devra dresser les trajets au meilleur de ses capacités sans avoir recours à des algorithmes de planification de trajectoire optimale. Un modèle de classification capable de prédire la prochaine commande de guidage à effectuer compte tenu des observations actuelles et précédentes a été implémenté. Le modèle est entraîné à encoder une représentation de l'image de profondeur obtenue à partir de l'image RGB ainsi qu'une représentation des coordonnées relative à sa destination. Ces représentations sont traitées par un réseau récurrent à mémoire court et long terme («Long Short-Term Memory» ou LSTM)  ainsi qu'un perceptron multicouches («Multilayer Perceptron» ou MLP) afin de prédire la direction à emprunter. Une fonction coût adaptée au problème ainsi que des techniques d'augmentation de l'ensemble de données sont incorporées lors de l'entraînement afin d'améliorer la précision du modèle en validation et en test. Une recherche d'hyperparamètres de type grid search a été effectuée afin de sélectionner le meilleur modèle selon la précision obtenue sur l'ensemble de données de test. Des précisions entre 77.10% et 82.59% ont été atteintes indiquant un impact significatif des méthodes d'augmentation de l'ensemble de données.  ABSTRACT: The autonomous guidance field is a continuously evolving research topic. The popularization of micro aerial vehicles such as quadcopters has contributed to the expansion of this research topic. Because of the wide range of different environments they can navigate into, quadcopters have many challenges on their own. In contrast with autonomous cars, quadcopters will most likely navigate more often in unknown environments with limited or no GPS service. New methods for autonomous guidance were needed for quadcopters. The literature review reveals two main categories relevant to the autonomous guidance problem: locally passive-reactive guidance and oriented guidance. The former includes all forms of guidance not aiming for a specific target while the latter focuses on reaching a destination. Both categories are considering guidance in unknown environments and use mostly reinforcement learning or imitation learning as a solving method. However, most of the studies on autonomous oriented guidance are not executed in a full size, complex environment setting. The objective of this research project is to create an intelligent agent capable of imitating a human guidance policy in a complex and unknown environment based on a depth map image and relative goal inputs. Considering the lower cost in development and computation time, the imitation learning approach was chosen. A sophisticated simulation environment was set up to create an imitation learning datasets. A total of 624 suboptimal demonstration paths from 9 different 3D environments were gathered, which represent 296 466 learning pairs. The demonstrations are qualified as suboptimal since the expert is a human trying its best to solve the guidance problem without any optimal planners. A classification model was introduced for predicting the appropriate guidance command based on the observations over time. The model learned a meaningful representation of its inputs which can be processed by a long short-term memory network (LSTM) followed by a fully connected network. In this way, the depth image obtained from the RGB original image along with the relative coordinates to the destination are converted into a guidance command at each time step. In order to improve the classification accuracy on the test set, a custom loss function and data augmentation techniques were implemented. A grid search over possible combination of dataset augmentation proportions was conveyed to optimize the hyperparameters. Accuracy ranging between 77.10% and 82.59% were obtained for this experiment, revealing a significant dependency to the augmentation technique.


identifier: Gasser, M. (2020). Validation d'un fixateur extramédullaire pour l'ostéogenèse par distraction chez les patients pédiatriques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La distraction osseuse est une procédure chirurgicale employée pour corriger l'asymétrie de patients atteints d'une inégalité de longueur des membres inférieurs. Cette technique consiste en l'espacement graduel de segments osseux, suite à une corticotomie de l'os à allonger. La distraction de l'os et sa stabilisation sont contrôlées par un fixateur extensible. Entre autres, le fixateur externe de type Iizarov est le plus utilisé en orthopédie pédiatrique. Cependant, il est encombrant et son aspect percutané entraîne des infections et des cicatrisations excessives. L'utilisation de fixateur intramédullaire remédie à ce type de problème, mais seulement chez l'adulte. En effet, son utilisation chez les enfants n'est pas possible car son installation endommagerait les plaques épiphysaires, ce qui altérerait le processus de croissance de l'enfant. Il n'existe actuellement pas de solution commercialisée optimale pour les patients pédiatriques souffrant d'une inégalité de longueur des membres inférieurs. Pour répondre à ce besoin, un fixateur interne extramédullaire composé de plaques télescopiques a été conçu dans le laboratoire de Prof. Isabelle Villemure. Totalement implantable grâce à son mécanisme activé magnétiquement à distance, ce dispositif préserve les plaques épiphysaires et le périoste par son système de fixation à l'aide de vis de verrouillage sur la surface externe de l'os. Son fonctionnement repose sur les mouvements relatifs de trois groupes cinématiquement liés, soit la translation du bloc piston le long du bloc canon grâce à la rotation des pièces standards. Par le biais d'un test de distraction, simulant les forces de résistance des tissus, la première version du dispositif, dite de Polytechnique, a pu générer une force de distraction jusqu'à 735N, ce qui est supérieur à la force maximale de résistance des tissus pour les allongements osseux pédiatriques (673N). Cependant, cette version n'est pas adaptée pour une étude in vivo à cause de sa taille, de la présence de colle non biocompatible et de la présence d'interstices fragilisant le dispositif face à une potentielle infiltration de liquide. L'objectif de ce projet était de concevoir une nouvelle version adaptée pour une étude in vivo. Une version améliorée du fixateur, dite E-kut, a donc été conçue en réduisant en longueur la taille du dispositif pour être en adéquation avec les dimensions d'un fémur de mouton mature, en retirant les interstices et en ajoutant un joint en silicone pour gagner en étanchéité et en affinant la manufacture des pièces par la méthode d'électroérosion proposée par Electro-Kut. La distraction maximale possible est donc réduite et passe de 5cm à 2cm pour la version Polytechnique et celle de E-Kut, respectivement. Trois prototypes de cette version ont été manufacturés. Le premier dispositif (D1) a été irradié au rayon gamma par Nordion et sa stérilité a été testée par Neopharm Labs. Bien que certifié stérile, une présence de résidu et de liquide a été observée après l'ouverture du dispositif. Une analyse du dispositif a déterminé que la cause de cette non-étanchéité était le serrage trop faible entre le canon et son tube. Le deuxième dispositif (D2) a été utilisé pour des tests de distraction classique. Il s'est avéré ne pas pouvoir générer de force de distraction supérieure à 196N, niveau de charge auquel le serrage entre le canon et son tube a cédé. De plus, le bris du réducteur a permis d'identifier un mauvais transfert des charges, qui devrait s'effectuer entre l'accouplement mécanique et le roulement à billes axial, mais qui se faisait entre les axes du réducteur et de la tige filetée. Le troisième dispositif (D3), bénéficiant d'une manufacture plus rigoureuse, a été utilisé pour poursuivre les tests de distraction. Il a été à nouveau impossible de générer des forces de distraction supérieur à 196N, à cause de frottement trop élevé entre le bloc piston et le tube du canon. Afin de continuer les tests sur la version E-kut et déceler de potentiels autres disfonctionnements, un quatrième dispositif (D4) a été confectionné à partir des pièces fonctionnelles des trois autres, tout en éloignant les axes du réducteur et de la tige filetée, afin de corriger le problème de transfert de charge. D4 a subi des tests de distraction classique et s'est avéré ne pas pouvoir générer de force de distraction supérieure à 222N. L'interruption du test a été provoquée par la rupture des serrages entre le piston et son bouchon, et entre le canon et son tube. De plus, un effet ressort non négligeable, i.e. une variation maximum de 1.4mm, a été observé à la pose et au retrait des poids. Les tests sur ces quatre dispositifs ont permis d'identifier trois principaux problèmes nuisant au bon fonctionnement de la version E-kut du dispositif, soient l'effet ressort de l'accouplement mécanique, la liaison encastrement inadéquate entre le canon et son tube et la liaison encastrement inadéquate entre le piston et son bouchon.  La version E-kut a donc été modifiée par, premièrement, le renforcement des liaisons encastrement, et donc de l'étanchéité, en ajoutant des soudures entre le canon et son tube et au niveau des bouchons et en implémentant des goupilles au niveau des bouchons (D4+ et D5) et par, secondement, la suppression de l'effet ressort en remplaçant l'accouplement mécanique flexible et la tige filetée par un bloc monolithique (D5). Deux dispositifs (D4+, D5) ont alors été assemblés en combinant de nouvelles pièces fabriquées et des pièces restantes des autres dispositifs. D4+ et D5 ont pu générer une force de distraction jusqu'à 814N, sans signe de défaillance mécanique et avec une vitesse de distraction constante (de 0.1430 ± 0.0049mm/s pour D4+ et 0.1427 ± 0.0047mm/s pour D5) indépendamment de l'augmentation de poids. De plus, aucun effet ressort ne fut observé sur D5 qui possédait le bloc monolithique. La version E-Kut modifiée a donc été démontrée valide mécaniquement.  En parallèle à ces travaux, la méthode du test de distraction a été perfectionnée. En effet, l'une des étapes préalables au test de distraction est l'installation de l'os synthétique dans le banc expérimental. Or, le positionnement, qui se faisait visuellement, n'était pas reproductible. C'est pourquoi des socles contenant un moule de la partie proximale de l'os et dont le plan de la base est normal à l'axe souhaité (anatomique ou mécanique) ont été conçus. Pour ce faire, le modèle 3D du fémur artificiel utilisé pour les expériences a été obtenu par rétro-ingénierie. Les modèles des socles ont été créés en conséquence tout en ayant défini préalablement les axes sur CATIA. Ils ont ensuite été imprimés en 3D. Ils assureront un positionnement immédiat de l'os artificiel selon l'axe souhaité pour les futurs tests de distraction.  Bien que la version E-Kut améliorée (D5) ait été démontrée valide mécaniquement, des modifications de design supplémentaires sont requises. En effet, l'incorporation d'une butée et d'un embrayage serait nécessaire pour limiter la distraction maximale du dispositif et, par conséquent empêcher le désengagement de la tige filetée du tube du piston. Une réduction en longueur est aussi requise pour pouvoir réaliser un test in vivo sur un mouton pédiatrique (vs adulte), de même qu'une réduction en diamètre est recommandée pour se rapprocher des dimensions des dispositifs sur le marché. Il reste aussi l'ajout du joint en silicone entre la version Polytechnique et E-Kut qui n'a pas pu être validé. Un test d'étanchéité est donc à prévoir. Enfin, pour continuer la validation mécanique du dispositif, sa stabilité biomécanique devra être évaluée à partir de tests de résistance mécanique. Les tests de distraction devront aussi être poursuivis en les réalisant selon l'axe mécanique d'un os artificiel, similairement à l'utilisation clinique prévue.  Ainsi l'objectif général a été complété puisqu'une version adaptée pour une étude in vivo a été conçue et validée mécaniquement sous distraction avec chargement. La méthode de stérilisation par irradiation gamma resterait cependant à revalider afin de s'assurer qu'aucun liquide ne s'infiltre à l'intérieur du dispositif D5. Un test préliminaire in vivo sur un mouton adulte permettra de vérifier si la génération du cal osseux se fait sans encombre pendant une distraction avec ce fixateur. Les travaux futurs comprennent également l'amélioration de la manette pour contrôler le dispositif en contexte in vivo.  ABSTRACT: Distraction osteogenesis is a surgical procedure used to treat limb length discrepancies. This technique is based on a bone corticotomy, followed by progressive separation of the resultant bone segments. Extensible fixators are used to distract and stabilize bone segments. The Iizarov type external fixator is the most widely used in pediatric orthopedics. However, it is bulky and increases risk of pin tract infections and scarring. Intramedullary fixators overcome these issues but only for adults' patients. In fact, these fixators are not implantable in children since the growth plates would be damaged upon implantation, hence impeding the child's normal musculoskeletal development. There is currently no optimal commercially available solution for pediatric patients with limb length discrepancies. To meet this need, an internal extramedullary fixator was designed in the laboratory of Prof. Isabelle Villemure. Fully implantable thanks to its remotely magnetic controlled mechanism, this device composed of two telescopic bodies preserves the epiphyseal plates, as well as the periosteum by its fixation system using locking screws on the external surface of the bone. Its operation consists in relative movements of three kinematically linked groups, i.e. the translation of the piston block along the barrel block in response to the rotation of standard parts. A distraction test, simulating tissue resistance forces, was designed and the first version of the device, named Polytechnique, was shown to generate distraction forces up to 735N, which exceeds the value of soft tissue resistance forces in pediatric limb lengthening (673N). Nevertheless, this version is not adapted for an in vivo animal study because of its size, the presence of non-biocompatible glue and the presence of interstices that weaken the device against potential liquid infiltration. Therefore, the goal of this project was to design a new version of the device suitable for in vivo tests. An improved version, named E-Kut, was created by reducing the length of the device to match the dimensions of a mature sheep's femur, removing the interstices and adding a silicone gasket to improve sealing and by refining the manufacture of the parts using the electrical discharge machining proposed by Electro-Kut. The maximum possible distraction is therefore reduced from 5cm to 2cm for the Polytechnique and E-Kut versions, respectively. Three prototypes of this version were manufactured.   The first protoptype (D1) was gamma irradiated by Nordion and its sterility was tested by Neopharm Labs. Although certified sterile, some residue and liquid were observed after the device was opened. An analysis of the device determined that the cause of this non-sealing was the insufficient fit between the barrel and its tube. The second device (D2) was used for conventional distraction testing. It was found to be unable to generate a distraction force greater than 196N, the load level at which the fit between the barrel and its tube broke. In addition, the failure of the gearbox identified a wrong load transfer, which should have occurred between the coupling and the axial bearing but was between the shafts of the gearbox and the leadscrew. The third device (D3), benefiting from a more rigorous manufacturing process, was used to proceed the distraction tests. It was again impossible to generate distraction forces greater than 196N, due to excessive friction between the piston block and the barrel tube. In order to continue the tests on the E-kut version and to detect other potential defects, a fourth device (D4) was made from the functional parts of the other three, while taking care to distance the shafts of the gearbox and the leadscrew from each other, in order to correct the load transfer problem. D4 underwent conventional distraction tests and was found to be unable to generate a distraction force greater than 222N. The interruption of the test was caused by the rupture of the fit between the piston and its cap, and between the barrel and its tube. Moreover, a non-negligible spring effect, i.e. a maximum variation of 1.4mm, was observed at the installation and removal of the weights. These tests on four devices allowed us to identify three main problems affecting the correct operation of the E-kut version of the device, i.e. the spring effect of the coupling, the inadequate fit connection between the barrel and its tube, and the inadequate fit connection between the piston and its cap.  The E-Kut version was therefore modified to improve further the previous version. Firstly, the fit and the sealing were reinforced by adding welds between the barrel, its tube, and at the caps and also by implementing pins at the caps (D4+ and D5). Secondly, the spring effect was eliminated by replacing the flexible coupling and the leadscrew with a monolithic block (D5). Two devices (D4+, D5) were then assembled by combining new manufactured parts and remaining parts from the other devices. D4+ and D5 could generate a distraction force of up to 814N, without any sign of mechanical failure and with a constant distraction rate (0.1430 ± 0.0049mm/s for D4+ and 0.1427 ± 0.0047mm/s for D5) regardless of the weight increase. Moreover, no spring effect was observed on D5 which had been improved with the monolithic block. The modified E-Kut version was therefore shown to be mechanically valid.  In parallel with this work, the distraction test method was improved. In fact, one of the steps  prior to the distraction test is the installation of the synthetic bone in the experimental bench However, its placement, which was done visually, was not reproducible. For this reason, supports containing a mold of the proximal part of the bone were designed in such a way that their base plane is normal to the desired axis (anatomical or mechanical). To do this, the 3D model of the artificial femur used for the experiments was obtained by reverse engineering. The models of the supports were created accordingly while having previously defined the axis (anatomical or mechanical) on CATIA. They were then printed in 3D. They will ensure immediate placement of the artificial bone along the desired axis for future distraction tests.  Although the improved E-Kut version (D5) has been shown to be mechanically valid, additional design modifications are still required. Indeed, the incorporation of an abutment and a clutch would be necessary to limit the maximum distraction of the device and therefore prevent the disengagement of the leadscrew from the piston tube. A reduction in length is also required to perform an in vivo test on a pediatric (vs adult) sheep femur, and a reduction in diameter is recommended to approach the dimensions of devices on the market. There is also the addition of the silicone gasket between the Polytechnique and E-Kut versions which could not be validated. A tightness test is therefore to be planned. Finally, in order to proceed the mechanical validation of the device, its biomechanical stability will have to be evaluated using resistance tests. Distraction tests will also have to be proceeded by performing them along the mechanical axis of an artificial bone, similarly to the intended clinical use.  In summary, the general objective of this project was completed since an adapted version for an in vivo study was designed and mechanically validated under distraction with loading. However, the sterilization by gamma irradiation method would still need to be revalidated to ensure that no liquid infiltrates into the D5 device. A preliminary in vivo test on an adult sheep will allowed us to verify that the generation of the bone callus can be safely achieved during distraction with this fixator. Future work also includes improving the controller to control the device in an in vivo context.


identifier: Bruel, C. (2020). On the Role of Chemical Affinity on the Dispersion, Self-Assembly, and Interfacial Behavior of Colloidal Cellulose Nanocrystals  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les nanocristaux de cellulose (CNCs) sont des nanoparticules à hauts aspects de forme qui comptent au rang des nouveaux « ors verts » de la transition écologique. Depuis la conception des premières usines pilotes au cours de la dernière décennie, ces nanomatériaux biosourcés et biodégradables sont produits à l'échelle industrielle (plus d'une tonne par jour) et suscitent de fortes attentes pour leurs propriétés en milieux aqueux : les nanocristaux se (re)dispersent aisément dans l'eau pour y former des suspensions colloïdales stables, des cristaux liquides, ou des hydrogels en fonction de leurs niveaux de concentration. Les CNCs peuvent notamment servir de rhéoépaississants ou d'émulsificateurs, et leurs suspensions aqueuses agir comme intermédiaires pour la production par évaporation de nanocomposites et de matériaux autoassemblés.  ABSTRACT: Cellulose nanocrystals (CNCs), often described as plants' building blocks, are biosourced and biodegradable rod-like nanomaterials whose production rate has been scaled up from a few kilograms to >1 ton/day within the last decade. They carry high expectations that arise from their properties in water: a solvent in which CNCs are readily dispersible and form stable isotropic colloidal suspensions at dilute levels, then liquid crystals and gels as higher concentrations. These aqueous suspensions are a platform towards a broad range of applications: CNCs may hence act as fillers in nanocomposites, as templating agents for self-assembled materials, as rheological modifiers, or as Pickering emulsifiers.


identifier: Lamine, Y. (2020). Understanding the Practice and Supporting the Creation of Design Systems  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisabilité spécifie à quel point un système logiciel doit être facile, efficace, anti-erreur et agréable pour être utilisé par des utilisateurs humains. Au cours des deux à trois dernières années, de nombreuses entreprises et organisations qui développent des technologies de l'information et de la communication ont commencé à adopter des systèmes de conception qui aident à améliorer la convivialité de leurs produits. Ces entreprises et organisations ont généralement plus d'un produit sur différentes plates-formes, ce qui présente divers défis de conception tels que la cohérence, la maintenabilité, des coûts élevés et une mauvaise collaboration entre les équipes de conception. Les systèmes de conception aident à standardiser la conception de l'interaction utilisateur en créant des directives et des composants réutilisables pouvant être utilisés dans tous les produits et / ou versions de produits. Pour comprendre la popularité croissante des systèmes de conception, nous avons mené une étude d'analyse de contenu des problèmes de système de conception open source de GitHub. Nous avons constaté que les problèmes du système de conception consistent principalement en des rapports de bogues ou des demandes de fonctionnalités et en améliorant le comportement de l'interface utilisateur ou la conception visuelle des composants du système de conception.  ABSTRACT: Usability specifies how easy, efficient, error-preventing, and pleasant a software system must be to be used by human users. In the recent two to three years, many companies and organizations that develop information and communication technologies have started to adopt design systems that help address the usability of their products. These companies and organizations usually have more than one product across different platforms, which introduces various design challenges such as consistency, maintainability, large costs, and poor collaboration between design teams. Design systems help standardize user interaction design by creating guidelines and reusable components that can be used across products and/or product versions. To understand the growing popularity of design systems, we first conducted a content analysis study of open-source design system issues from GitHub. We found that design system issues consist mainly of bug reports, feature requests and improvement of the UI behavior or visual design of design system components.


identifier: Zid, C. (2020). Analyse et détection des anomalies dans un système IOT distribué hybride  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un système domotique intègre divers appareils intelligents (c'est-à-dire des dispositifs cyberphysiques), des dispositifs virtuels et des applications logicielles, cela, dans le but de contrôler, surveiller et gérer une ou plusieurs maisons. Les dispositifs, applications et systèmes intelligents offrent d'innombrables possibilités, mais leur nature de systèmes cyberphysiques interconnectés, hétérogènes, distribués et orientés vers le consommateur pose de nouveaux défis aux utilisateurs , aux développeurs et aux responsables de la maintenance. Dans ce mémoire, nous nous concentrons sur les systèmes domotiques construits avec des dispositifs autour d'un protocole qui ne dépend pas du fournisseur, à savoir Z-Wave. La disposition, les composants et les applications logicielles de l'IOT évoluent et changent, au fil du temps, et cela en fonction de l'évolution des besoins des utilisateurs. Malgré les améliorations constantes, la détection des défauts et la maintenance du système restent assez difficiles. Il n'est pas rare de voir des actions manquantes ou des événements inattendus.  ABSTRACT: A home automation systems integrates various smart devices (i.e., cyber-physical devices), virtual devices, software application with the goal to control, monitor and manage one or more houses. Smart devices, applications, and systems offer new countless possibilities, however, their nature of consumer oriented, distributed, heterogeneous interconnected cyber-physical systems poses new challenges to users, developers and maintainers. In this thesis we focus on home automation systems built with devices around a vendor agnostic protocol, namely, Z-Wave. Layout, components and software applications for IOT evolve and change over the time with ever changing user need. Despite constant improvements, defect detection and system maintenance remain quite challenging. It is not uncommon to see missing actions or unexpected events.


identifier: Paredes Seminario, J. A. (2020). Multi-criteria Analysis of Internal Cross-docking Operations  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette étude vise à améliorer la performance environnementale et logistique des opérations de manutention dans un centre de transbordement (soit cross-dock). L'évaluation des opérations internes considère ainsi plusieurs mesures de performance, d'où s'explique la désignation multicritère. L'installation étudiée appartient à une organisation qui fournit des services de transport en charge partielle (LTL), desservant un vaste réseau d'approvisionnement. À l'intérieur du centre de transbordement, toute la manutention est accomplie par des caristes en utilisant des chariots élévateurs à gaz naturel comprimé (GNC). Premièrement, une revue de littérature a été complétée dans l'intention de déterminer une façon systématique de caractériser et d'étudier des centres de transbordement. En conséquence, une grille de caractérisation fondée sur six critères a été développée pour décrire qualitativement une installation de transbordement. Quoi que la plupart des études en transbordement optent pour des modèles de recherche opérationnelle, la recherche scientifique propose que les modèles de simulation à évènements discrets soient aussi des outils appropriés et propices pour l'analyse de ce type d'installation - malgré leur faible popularité dans le domaine. À la suite de ces repères, un modèle de simulation par agents a été développé pour cette étude, inspiré par des modèles existants d'entreposage, ainsi que par des techniques de modélisation traditionnelles adaptées au milieu industriel. Également, une analyse de l'état initial des opérations de transbordement fut complétée avec l'intention de définir les limites du modèle, ses entrants et les interactions entre ses agents. Finalement, une validation statistique du modèle de simulation fut effectuée afin de déterminer le nombre approprié de réplications. Ensuite, le modèle final fut utilisé pour l'expérimentation des différentes stratégies d'affectation des portes du centre de transbordement. Ces expériences avaient deux variables de réponse : la consommation de GNC (en mètres cubiques) et la distance couverte par la flotte de chariots élévateurs (en pieds). De plus, les émissions équivalentes de CO2 furent aussi calculées (en kilogrammes équivalents de CO2). Quant aux facteurs expérimentaux, les expériences se basent sur des variations dans l'affectation des portes de l'installation aux activités de manutention (chargement, déchargement) et aux zones de distribution. Dans d'autres termes, chaque expérience est axée sur une combinaison unique d'affectation des portes, désignée comme solution d'affectation. Puisqu'une quantité incommensurable de solutions sont possibles, une heuristique fut créée dans le but de générer des solutions d'affection d'après la distance minimale entre les portes et les flots de palettes par zones d'origine et de destination. En outre, des affectations aléatoires et un scénario sans aucune affectation furent aussi considérés. Les résultats expérimentaux confirment que des changements dans l'affectation de portes peuvent réduire la consommation totale de combustible et les déplacements des appareils de manutention, ainsi que les émissions de CO2. En outre, cette étude met en évidence que l'empreinte environnementale des installations de distribution n'est point négligeable. L'approche multicritère et notamment la perspective environnementale deviennent ainsi pertinentes aux études en logistique interne. Or, une recherche plus approfondie serait nécessaire afin d'évaluer l'impact de l'affectation de portes dans tout le système de transbordement, au-delà des murs de l'installation.   Sommaire des résultats   Distance (ft) GNC (m3) CO2 (kg éq.) Scénario sans aucune affectation 531 663 745 1 432 Performance initiale             514 656 702 1 349 Meilleure solution d'affectation 489 673 626 1 203  ABSTRACT: The performance of internal material handling operations in an existing cross-docking facility is sought to be improved from both a logistic and environmental perspective. The facility studied consists of a transportation terminal serving a vast less-than-truckload (LTL)  chain. Inside the cross-dock, all material handling is performed by forklifts fuelled by compressed natural gas (CNG). A review of the state of the art is conducted, from which a cross-dock characterization approach is outlined. Similarly, the literature reveals that discrete-event simulation, while generally under-looked, is an appropriate tool for the study of such transportation facilities. Accordingly, an agent-based simulation (ABM) model is developed in order to study the cross-dock. The model is influenced by existing warehousing models, as well as by traditional discrete-event modelling in an industrial setting. Moreover, a comprehensive analysis of the current state of operations was completed in order to define model boundaries, inputs and agent interactions. Then, the model was used to conduct experiments based on distinct door-assignment strategies, having CNG consumption and forklift distance as response variables. The generation of door assignments, conversely, was achieved by a heuristic based on the minimum distance between dock doors and pallet flow. The experimental results indicate that such door assignments do lead to a reduction in both response variables. Further study is, howbeit, required to assess the full impact of door assignments in the system, beyond internal boundaries.


identifier: Laberge, G. (2020). Statistical Analysis of Spherical Harmonics Representations of Soil Particles  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Grâce aux avancées en micro-tomographie par rayons-X, il est désormais possible d'obtenir des représentations en 3D haute résolution de milliers de particules échantillonnées depuis diverses sources géologiques. La représentation plus précise des particules pourrait éventuellement permettre d'obtenir des simulations numériques plus fidèles des comportements de matériaux granulaires par la méthode des éléments discrets (DEM, Discrete Element Method en anglais). Cependant, l'accès à des descriptions fines demande aussi de développer de nouveaux outils numériques pour la caractérisation géométrique et l'analyse statistique d'ensembles de particules. Ce mémoire se concentre sur la modélisation géométrique des particules de sol par la représentation de leur surface à l'aide de la décomposition en harmoniques sphériques. Plus précisément, nous discutons de l'utilisation des représentations en harmoniques sphériques pour développer un modèle statistique permettant de générer des assemblages virtuels de particules à partir des données de plusieurs centaines de grains. La haute dimension de tels ensembles de données a longtemps été une complication majeure, mais avec les récentes avancées en apprentissage automatique dans l'analyse des mégadonnées, il y a espoir que ces nouveaux algorithmes puissent surmonter cette limitation.  ABSTRACT: Advancements in X-ray micro-computed tomography allow one to obtain high resolution 3D representations of particles collected from multiple geological sources. The representational power enabled by this new technology could allow for more accurate numerical simulations of granular materials using the celebrated Discrete Element Method (DEM). However, access to realistic representations of particles requires the development of more advanced geometrical and statistical characterization techniques. This thesis focuses on the use of the Spherical Harmonics decomposition of soil particles to model the surface of the particles. More precisely, we discuss the application of the Spherical Harmonics decomposition of particles to develop generative models of virtual assemblies that are calibrated based on datasets made of hundreds of grains. For long, the high dimensionality of the data has been a major challenge to the developpement of such statistical models. However, with recent advances of machine learning algorithms in the context of Big Data, there is hope that these new techniques can be utilized to overcome this limitation and obtain very accurate generative models of assemblies.


identifier: Rahhali, I. (2020). Aide au choix d'une solution optimale sur un front Pareto à l'aide de méthodes de groupement  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce travail propose une méthodologie qui permet à des experts résolvant des problèmes biobjectifs et qui obtiennent un ensemble de solutions optimales sur un front Pareto de faire un choix informé de l'une ou plusieurs de ces solutions suivant des critères ne figurant pas forcément parmi les variables du problème. La méthodologie décrite dans ce travail se base sur des méthodes de segmentation permettant de regrouper les solutions partageant des caractéristiques communes. Ceci permet à l'expert de découvrir comment sont distribuées les solutions dans l'espace des paramètres. Cette approche est différente des approches de segmentation regroupant les points selon selon les valeurs des fonctions objectif, car cela nous permet d'obtenir des groupements distincts de points partageant des caractéristiques de variables similaires entre eux, qui constitue une information très intéressante pour l'expert. Cette approche répond également au besoin des experts de potentiellement faire des compromis d'optimalité et choisir des points répondant mieux à leurs critères, quitte à s'éloigner légèrement du front Pareto. Différents types d'algorithmes de segmentation sont présentés et comparés. On propose ensuite deux heuristiques pour choisir des solutions parmi chaque groupement de solutions. La première étant une heuristique rapide ne requérant pas de critères spéciaux et proposant une solution automatiquement. La deuxième retourne les meilleures solution suivant une fonction score que l'expert définira suivant ses critères de choix de solutions. Une illustration de l'utilisation pratique de la méthodologie sera présentée enfin sur un projet d'industrie réel de synthétisation d'un fluide à partir de sels fondus pour une centrale solaire ainsi qu'un exemple de définition de fonction score et d'implémentation de la deuxième heuristique.  ABSTRACT: The purpose of this work is to define a novel methodology for indentifying interesting biobjective's problem solutions on or close to the Pareto front that responds to the expert's criteria. The methodology defined in this work is based on clustering algorithms to identify eventual clusters of solutions sharing similar variable characteristics and then identifying solutions of interests within each cluster. The experts often want to explore the near optimality region for solutions that can be more practical, cheaper or easier to implement than optimal ones. Different types of clustering algorithms will be discussed and compared, and two heuristics for choosing best points are defined. The first is an easy to use, automatic method that selects a solution within the densest region of each cluster and doesn't require the input of any criteria. The second heuristic implements a scoring system to rank solutions based on the experts requirements. An industry problem will be used to illustrate the use of the methodology and the heuristics. The novelty of this work is illustrated in clustering over the variable space rather than objective space, providing clusters with solutions with similar variable properties. It is also illustrated in providing a method for exploring promising solutions near the Pareto set.


identifier: Chazel, S. (2020). Modélisation de l'impact d'une contrainte de ressources minérales sur les sentiers de transition énergétique  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: A capacité équivalente, la production d'énergie décarbonée requière beaucoup plus d'apport de ressources minérales que la production d'énergies fossiles. La transition énergétique s'accompagne donc d'une explosion de la demande en ces ressources. Parmi elles, on trouve notamment des métaux rares, comme le néodyme, le gallium, l'indium ou des terres rares ; et des métaux structurels, comme le cuivre, l'aluminium ou le fer. Or certaines de ces ressources sont identifiées comme critiques par plusieurs institutions internationales, notamment la Banque Mondiale, le Programme Environnemental des Nations Unies et la Commission Européenne. En effet, la production pourrait ne pas suivre l'augmentation de la demande, à court terme (pour l'indium et les terres rares par exemple) ou long terme (pour le cuivre et l'aluminium). Parmi les causes de cette criticité soulignées dans la littérature, on retrouve, pour les métaux rares : la mauvaise répartition géographique des réserves et capacités de production qui rend l'approvisionnement dépendant du jeu géopolitique, les difficultés de recyclage inhérentes à leur usage, l'impact environnemental et les enjeux d'acceptation sociale dans un contexte de développement durable, leur statut de co-produit dans les mines qui les extraient, et l'épuisement des réserves. Cependant, le développement de technologies se passant de ces métaux ou utilisant des substituts semble envisageable, si bien que ces métaux sont moins critiques sur le long terme. Pour les métaux structurels, les restrictions de long terme à la production proviennent de l'épuisement des réserves, de l'impact environnemental des industries minières, des faibles perspectives de substituabilité, et du contexte de demande déjà fortement croissante avec le développement des pays du Sud. Il semble donc pertinent d'envisager que la production primaire d'au moins une de ces ressources clés de la transition énergétique puisse être limitée. Quel est l'impact de cette contrainte sur la transition énergétique ? Le cuivre semble être une ressource indispensable et particulièrement à risque, même s'il est difficile d'estimer précisément à quelle échéance il pourrait venir à manquer. Nous choisissons donc le cuivre comme étude de cas pour notre modélisation, et nous étudions plusieurs scénarios de contrainte sur la production de ce métal. Nous modifions un modèle d'équilibre général dynamique souvent cité (Golosov et al., 2014) qui ne tient pas compte de l'enjeu des ressources minérales dans la transition énergétique, pour ajouter à la fonction de production de la filière d'énergie décarbonée un facteur « capital vert », construit à base de métaux. Ainsi, la production d'énergie décarbonée requière bien un apport de métaux (primaire ou recyclé), et les stocks de métaux primaires et secondaires évoluent selon les rythmes de production. Nous observons que le stock de métal primaire diminue au fur et à mesure de l'extraction, et le stock de métal secondaire, qui constitue un réservoir pour le recyclage, augmente. Le métal recyclé se substitue peu à peu au métal primaire dans la constitution du capital vert. Grâce à cette substitution, l'épuisement du stock de minéral primaire impacte peu la production d'énergie décarbonée dans un premier temps. Cependant, une fois que le recyclage fonctionne à pleine capacité, c'est-à-dire lorsque la totalité du stock de minéral secondaire est recyclé à chaque période, la production totale de métal ne peut plus augmenter. La quantité de capital vert atteint alors sa valeur maximale, et le taux de croissance de la production d'énergie décarbonée chute. Finalement, malgré le progrès continu de la productivité du travail, la contrainte sur les ressources minérales entraine un plafonnement de la production d'énergie décarbonée. La chronologie de ces différentes étapes dépend du scénario de contrainte minérale considéré. La contrainte minérale a donc un impact significatif sur la modélisation des sentiers de la transition énergétique. Dans quatre des six scénarios que nous considérons, elle entraîne une diminution de 50% de la production d'énergie décarbonnée par rapport au scénario noncontraint étudié par Golosov et al. (2014) avant 120 ans. Dans les deux pires scénarios, la production d'énergie décarbonée stagne dès 60 à 80 ans. Cependant, en raison du paramètre de substituabilité négatif entre les différentes sources d'énergie (issu du modèle de référence de Golosov et al., 2014), cette limitation impacte peu les sentiers d'extraction de combustible fossile. Nous recommandons donc pour de futures recherches d'affiner le modèle en envisageant que ce paramètre de substitution puisse varier, afin de mieux évaluer l'impact de la contrainte minérale sur les sentiers d'extraction de carburants fossiles. Nous soulignons enfin que notre modèle ne tient pas compte des enjeux géopolitiques liés à la distribution inégale de ces ressources minérales stratégiques.  ABSTRACT: For an equivalent production capacity, low-carbon energy production is much more mineral intensive than fossil energy production. Therefore, energy transition implies a booming in mineral resources demand. Those strategic resources can be divided into rare metals, such as neodymium, gallium, indium and rare earth elements; and base metals, such as copper, aluminium and iron. But some of those are identified as critical by many international institutions, amongst which the World Bank, the United Nations Environmental Program and the European Commission. Indeed, production may not be able to match the forecasted booming demand, either in the short run (for indium, rare earth elements, and some other rare metals) or in the long run (for copper or aluminium). Fore rare metals, this criticality is the consequence of : a bad reserves distribution amongst countries which makes supply depends on geopolitics, many recycling limits that are inherent to the use made of those metals, environmental impact and social acceptance of the mining industry in a sustainable development context, those metals being only co-products, and resource exhaustion. However, technologies that do not use rare metals, or substitutes instead, are being developed so that rare metals seem less critical in the long run. Base metals long term supply concerns typically come from resource exhaustion risks, environmental impact of mining industry, low substitutability perspectives, and production being cornered by emerging countries' industrialisation. In the end, it is relevant to consider than the supply of at least one of those strategic resource could face limitations. What would be the impact of such constraint on energy transition ? Copper is both essential to energy transition and especially critical, even if there are many uncertainties on the date when supply could lack. Therefore, we use copper as a study case for our modelisation. We consider many supply constraint scenarios. We modify Golosov et al. (2014) dynamic general equilibrium model, that simulates energy transition paths but without taking into account any mineral constraint. We add a “green capital” factor to the low-carbon energy production function, in order to link low-carbon energy production to  metal supply. Therefore, building and maintaining production capacities requires a mineral supply, which is eventually limited when mineral reserves declines. We observe the variations of primary and secondary metals stocks. Recycled (secondary)metal gradually substitutes to primary metal in green capital manufacturing. Thanks to this substitution, primary mineral stock exhaustion has a limited impact on low-carbon energy