identifier: Wang, C. (2017). Synergistic Gelation Properties of Gelatin and Polysaccharide Aqueous Mixtures  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les protéines et les polysaccharides sont deux composants essentiels de la nourriture qui contribuent à leurs microstructures et textures. En conséquence, des gels composés de mélanges de protéines et de polysaccharides sont actuellement développés et utilisés, à des fins de recherche, en tant que modèles pour comprendre la structure et les propriétés des aliments réels. Récemment, ces gels multicomposants ont également attiré beaucoup d'attention comme systèmes d'encapsulation et de distribution de molécules bioactives, car la gélification peut se produire sans l'utilisation d'agents de réticulation, d'enzyme, ou de traitement thermique. Les gels composés de mélanges de protéines et de polysaccharides, ou gels mixtes, peuvent souvent être formés à des concentrations beaucoup plus faibles et affichent des propriétés mécaniques améliorées par rapport aux gels composés d'un seul composant. Ces gels mixtes sont connus pour être sensibles à des facteurs environnementaux tels que le pH, la force ionique, le rapport massique protéine/polysaccharide et les caractéristiques intrinsèques des biopolymères (type de polysaccharide, poids moléculaire, etc.). Par conséquent, une compréhension fondamentale des interactions entre protéines et polysaccharides en solutions est nécessaire pour concevoir de nouveaux épaississants et/ou gélifiants, systèmes d'encapsulation et de livraison. Dans ce projet, nous avons systématiquement étudié le comportement gélifiant de mélanges binaires composés de quatre types de gélatine (la protéine gélifiante la plus connue et l'une des plus utilisées) et de deux polysaccharides aux charges opposées: le chitosane, à charge positive (le deuxième biopolymère naturel le plus abondant) et la gomme de xanthane, chargée négativement (XG) (en raison de ses applications importantes dans les industries alimentaire, cosmétique et pharmaceutique). L'objectif général de cette thèse est de comprendre et de proposer un mécanisme général de gélification pour des mélanges de gélatine et de polysaccharides. La première partie de cette thèse démontre qu'un équilibre délicat des charges est nécessaire pour former un gel mixte de gélatine et de gomme de xanthane à des concentrations très diluées (à une concentration environ 10 fois moindre par rapport à la concentration de gélification critique de la gélatine B uniquement) - illustrant le rôle important des interactions électrostatiques dans ces systèmes. Les expériences de rhéométrie ont montré que des systèmes composés de gélatine B de faible indice de Bloom (L-GB) et de XG gélifient légèrement au-dessus du point isoélectrique (pI) de L-GB (pI = 5.3) et affichent un module de stockage beaucoup plus élevé (G') par rapport à des solutions composées de XG ou de L-GB uniquement, avec G' atteignant un maximum à pH 5.5. v En outre, l'addition de sel entraîne une diminution significative de G' en raison de l'écrantage des charges. En outre, la microscopie confocale à balayage laser (CLSM) a révélé que la L-GB et le XG forment des agrégats dispersés à des pH inférieurs à 5.0, des réseaux colocalisés à pH 5.5 et enfin des réseaux complémentaires à des pH plus élevés (par exemple pH 8.0) - la structure du réseau se brisant avec l'addition de sel. Ces microstructures corrèlent avec les résultats de rhéologie et de potentiel zêta. Enfin, comme pour les gels de gélatine purs, les gels mixtes sont thermoréversibles, ce qui indique que les liaisons hydrogène jouent également un rôle important pendant le processus de gélification. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié les effets de l'indice de Bloom pour la GB, du rapport GB à XG, et du poids moléculaire de la XG sur les propriétés de gélification des mélanges GB/XG. Comme pour les mélanges L-GB/XG (faible indice de Bloom), les mélanges composés de GB à indice de Bloom élevé H-GB/XG présentent un G' maximum à un pH proche du pI de H-GB. Les mélanges (L- et H-GB)/XG possèdent des compositions optimales au-delà desquelles G' diminue. L'augmentation de l'indice de Bloom entraîne l'augmentation de G', alors que l'augmentation du poids moléculaire de la XG provoque l'effet inverse (ce qui peut sembler contre-intuitif) en raison des limitations de transfert de masse (diffusion). En fait, au pH optimal, le CLSM révèle que les mélanges GB/XG présentent également des transitions microstructurales reliées à la composition: d'agrégats discontinus (rapport GB/XG ≤ 1) à des réseaux superposés de GB et XG (ratio = 2-6), puis finalement une fragmentation du réseau (ratio = 8-10). Ces transitions microstructurales sont également corrélées aux propriétés rhéologiques mesurées. La micro-calorimétrie (micro-DSC) a finalement révélé que la XG adopte une conformation moléculaire plus stable avec l'addition de GB, ce qui augmente la gélification GB par la formation de triples hélices, comme l'indiquent la position et la surface des pics de transition. Dans la troisième partie de cette thèse, nous avons étendu notre étude en analysant les effets des types de gélatine (type A et B) et de la charge des polysaccharides (XG chargé négativement, chitosane chargé positivement (CHI)), afin d'évaluer si les caractéristiques observées dans les systèmes GB/XG constituent un comportement général, ou sont spécifiques à cette combinaison protéine/polysaccharide. Les deux types de gélatine ont des compositions différentes en acides aminés, et donc différents points isoélectriques. Les mélanges GB/polysaccharides présentent toujours un G' à un pH sensiblement supérieur au pI, tandis que les mélanges gélatine A vi (GA)/polysaccharides se comportent quelque peu différemment. Par exemple, les mélanges GA/XG montrent un G' maximum à un pH bien au-dessous du pI de GA (un résultat qui, nous soupçonnons, pourrait être dû à la distribution des charges dans la molécule de GA, mais cette hypothèse reste à être validée), tandis que les systèmes GA/CHI montrent une augmentation monotone de G' avec le pH, jusqu'à ce que le chitosane ne soit plus soluble en solution (au-delà de pH 6,0-6,5). Dans tous les cas, les microstructures des gels mixtes, dans les conditions optimales, sont caractérisées par des domaines pauvres et riches en biopolymères, et les résultats de micro-DSC révèlent que l'ajout des polysaccharides mène à l'augmentation de la formation de triples hélices de gélatine. La synthèse des résultats suggère que le mécanisme de gélification des systèmes mixtes de gélatine/polysaccharide peut être divisé en trois étapes principales: 1) la formation de complexes de gélatine/polysaccharide par attraction électrostatique à une température initialement élevée (au-dessus de la température de transition pelote/hélice de la gélatine); 2) la réduction de la distance entre les molécules de polysaccharide avec une modification de la conformation du polysaccharide, à des températures intermédiaires; 3) l'augmentation de la concentration locale en biopolymères due à un effet de pontage provoqué par la formation de triples hélices de la gélatine, sous la température de transition pelote-hélice de la gélatine, ainsi que la formation d'un réseau. Enfin, dans la quatrième et dernière partie de ce projet, nous avons commencé à étudier l'impact de la cinétique de gélification et du pH initial en comparant les propriétés des gels de gélatine/polysaccharide préparés selon 3 méthodes différentes: 1) par addition de HCl ou de NaOH en solution - c'est-à-dire par titration, un processus très rapide (~ 1 s) qui a été utilisé dans les trois premières parties de cette thèse; 2) par l'addition de glucono delta-lactone (GDL), ce qui ralentit l'acidification du milieu (~ 4-5 h); 3) par gélification induite par une phase vapeur (acidification très lente sans agitation, ~ 24 h). Nous avons constaté que les procédés d'acidification lente étendent significativement la gamme des compositions et des pH pour la formation de gels. Les gels mixtes obtenus par exposition à une vapeur d'acide présentent les meilleures propriétés mécaniques. Il apparaît que le processus de gélification est affecté par l'agitation, le taux d'acidification, le pH initial et le pH final. Ce projet a utilisé une gamme de techniques complémentaires incluant la rhéométrie, la calorimétrie et la microscopie, qui pourraient être utilisées pour explorer et comprendre le mécanisme de gélification propre à d'autres mélanges aqueux de protéines linéaires ou globulaires, et de polysaccharides. Il ouvre la voie à l'exploration et à la compréhension du comportement de systèmes plus complexes, tels que des émulsions préparées avec des mélanges aqueux de protéines et de polysaccharides. En résumé, ce projet fournit un ensemble de lignes directrices fondamentales pour la conception de nouveaux épaississants et/ou gélifiants à base de protéines et de polysaccharides, pour des applications alimentaires ou pharmaceutiques.  ABSTRACT: Proteins and polysaccharides are two essential components in food, which contribute to structural and textural properties. As a result, gels comprising mixtures of proteins and polysaccharides are currently used, for research purposes, as models of multicomponent structures found in real foods. Recently, these multicomponent gels have attracted much attention for the protection of bioactive molecules when used as encapsulation and delivery systems, since gelation can occur without the use of crosslinking agents, heating or enzymes. Proteins/polysaccharides mixed gels can often be formed at much lower concentrations, and display enhanced mechanical properties compared to gels composed of only one component. These mixed gels are known to be sensitive to environmental factors like pH, ionic strength, protein to polysaccharide ratio, and biopolymer intrinsic characteristics (polysaccharide type, molecular weight, etc.). Therefore, a fundamental understanding of the interactions between proteins and polysaccharides in solutions is required to provide the guidelines to design such novel thickeners and/or gelling agents, encapsulation and delivery systems. In this project, we have systematically investigated the gelation behavior of binary mixtures comprising four types of gelatin (the most well-known and employed gelling protein), and two oppositely charged polysaccharides: the positively charged chitosan (the second most abundant natural biopolymer), and the negatively charged xanthan gum (XG) (due to its extensive applications in food, cosmetics and pharmaceutical industries). The general objective of this thesis is to understand and to propose a general gelation mechanism for gelatin/polysaccharide mixtures. The first part of this thesis demonstrates that a delicate charge balance is required to form a mixed gel of gelatin and xanthan gum at very dilute concentrations (about 10 times less concentrated compared to the critical gelling concentration of gelatin B (GB) alone) – illustrating the important role of electrostatic interactions in these systems. Rheometry experiments showed that mixed gels comprised of low Bloom index gelatin B (L-GB) and XG form slightly above the isoelectric point (pI) of L-GB (pI = 5.3) and display much higher storage modulus (G') compared to neat XG and L-GB solutions, with G' reaching a maximum at pH 5.5. Furthermore, salt addition causes a significant decrease in G' due to charge screening. Moreover, confocal laser scanning microscopy (CLSM) has revealed that L-GB and XG form dispersed aggregates at pH 5.0 and below, colocalized networks at pH 5.5, and finally complementary networks at higher pHs (e.g. pH 8.0) - the network structure however breaks down when salt is added. These microstructures correlate ix well with rheology and zeta potential results. Finally, like pure gelatin gels, mixed L-GB and XG gels are thermoreversible, indicating that hydrogen bonding also plays an important role during the gelling process. In the second part of this thesis, we further investigated the effects of GB Bloom index, GB to XG ratio, and XG molecular weight on the gelation properties of GB/XG mixtures. Similar to L-GB/XG, high Bloom index gelatin B (H-GB)/XG mixtures exhibit a maximum G' at a pH near the pI of H-GB. Both (L- and H-GB)/XG mixtures possess optimal compositions, beyond which G' decreases. Increasing the GB Bloom index results in a higher G', whereas increasing XG molecular weight causes the opposite effect (which might seem counter-intuitive) due to mass transfer (diffusion) limitations. In fact, at the optimum pH, CLSM reveals that GB/XG mixtures also display composition-dependent microstructural transitions: from discontinuous aggregates (GB/XG ratio ≤ 1) to continuous GB and XG colocalized networks (ratio = 2-6), followed by a fragmentation of the network (ratio = 8-10). These microstructural transitions also correlate well with the measured rheological properties. Micro-calorimetry (micro-DSC) finally revealed that XG adopts a more stable molecular conformation with the addition of GB, which in turn enhances GB gelling by triple helix formation, as indicated by the position and area of the transition peaks. In the third part of this thesis, we extended our investigation by analyzing the effects of gelatin types (Type A and B) and polysaccharide charge (negatively charged XG, positively charged chitosan (CHI)), to assess whether or not the observed features observed in GB/XG systems constitute a general behavior, or are particular to this protein/polysaccharide combination. The two types of gelatin have different compositions of amino acids, and thus isoelectric point. Gelatin B (GB)/polysaccharides mixtures always exhibit the highest G' at a pH near the pI of GB, whereas gelatin A (GA)/polysaccharides mixtures behave somewhat differently. For example, GA/XG displays the highest G' at a pH far below the pI of GA (a result which we suspect could be due to the charge distribution in GA at a molecular level, but that remains to be validated), while GA/CHI shows a monotonous increase in G' with pH, until chitosan is no longer soluble over pH (~6.0-6.5). In all cases, the microstructures of the mixed gels under the optimal conditions are characterized by biopolymer-rich and biopolymer-poor domains, and micro-DSC results reveal that both polysaccharides always enhance gelatin gelling by triple helix formation. x Overall, our results indicate that the gelation mechanism of gelatin/polysaccharide mixed systems can be divided into three main steps: 1) the formation of gelatin/polysaccharide complexes via electrostatic attraction at an initially elevated temperature (above the coil-to-helix transition temperature of gelatin); 2) the reduction of the distance between polysaccharide molecules along with a change in polysaccharide conformation at intermediate temperatures; 3) the increase in local biopolymer concentration due to a bridging effect caused by gelatin triple helices formation below the coil-to-helix transition temperature of gelatin, along with a network formation. Finally, in the fourth and last part of this project, we have started to investigate the impact of the gelling kinetics and initial starting pH by comparing the properties of gelatin/polysaccharide gels prepared following 3 different methods: 1) by the addition of HCl or NaOH solutions – i.e. titration, a very fast process (~ 1 s), which was used in the first three parts of this thesis; 2) by the addition of glucono delta-lactone (GDL), which slows down the acidification of the medium ( 4-5 hrs); 3) by vapor-induced gelification (very slow acidification without stirring,  24 hrs). It was found that slow acidification methods extend the range of compositions and pHs for gel formation. The vapor-induced mixed gels display the best mechanical properties. The gelation process is affected by stirring, acidification rate, initial pH and final pH. This project has used an extensive array of techniques including rheometry, calorimetry and microscopy, which could be used to explore and understand the gelation mechanism of other linear protein/polysaccharide or globular protein/polysaccharide aqueous mixtures. It paves the way to understand the behavior of more complicated systems, such as emulsions prepared by protein/polysaccharide aqueous mixtures. In summary, this project provides a set of fundamental guidelines to design novel thickeners and/or gelling agents based on proteins and polysaccharides, for food or pharmaceutical applications.


identifier: Farhanian, D. (2017). Controlled Functionalization of Surfaces Through Syngas Photo-Initiated Chemical Vapor Depostion  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les techniques de modification de surface ont gagné beaucoup d'intérêt en raison de leur capacité à adapter, sans altérer la majeure partie d'un matériau, les propriétés de sa surface. Cependant, il existe un besoin pour de nouveaux précurseurs ainsi que pour des procédés peu coûteux et industriellement évolutifs.  Bien que de nombreuses méthodes aient été exploitées pour la modification de surface de nanoparticules (NP), la plupart souffrent de la complexité de la préparation (par exemple la technique sol-gel), du matériel coûteux et des conditions de fonctionnement coûteuses et prohibitives (basse pression et/ou haute température, pour la déposition en phase vapeur par plasma ou thermiquement activée - CVD -). Ce projet de recherche abordera ces limites en étudiant une approche de fonctionnalisation plus pertinente du point de vue technique, c'est-à-dire la CVD photo-initiée (PICVD). Cette technique est supérieure en raison de la conception simple du réacteur, sa facilité d'utilisation et de contrôle, son évolutivité, sa polyvalence, son abordabilité et sa faible empreinte écologique. En plus de traiter les problèmes de traitement énumérés ci-dessus, l'efficacité énergétique de cette méthode est plus élevée que les méthodes CVD traditionnelles puisque la longueur d'onde utilisée pour l'irradiation des précurseurs est choisie pour cibler des liaisons moléculaires spécifiques.  D'autre part, les déchets industriels deviennent un véritable défi pour le monde d'aujourd'hui. La production mondiale de gaz de synthèse a été enregistrée à 116 000.0 MW thermiques (MWth) en 2014 et devrait atteindre 213 100 MWth d'ici 2020, avec un taux de croissance annuel composé de 9,5% entre 2015 et 2020. Compte tenu de la production massive de syngas en tant que sous-produits de plusieurs procédés, la mise en oeuvre pratique de ce composé pour le revêtement fonctionnel pourrait avoir un impact profond dans l'environnement, ainsi que dans les industries de revêtement et de dépôt.  Pour surmonter ces problèmes, nous avons examiné la synthèse de Fischer-Tropsch. Dans ce procédé, des catalyseurs sont utilisés pour transformer du syngaz en hydrocarbures. Les catalyseurs se désactivent pendant ce processus en raison de la formation d'espèces de carbone légèrement polymérisées. Cet encrassement de surface peut être réimaginé comme de l'ingénierie de surface. Ceci nous a incités à considérer le gaz de synthèse comme un précurseur réactif alternatif dans le PICVD.  Cette présente thèse analyse le PICVD en trois parties distinctes:  (1) La faisabilité et l'applicabilité du PICVD par gaz de synthèse via des lampes UVC à partir d'une étude de cas en gestion des déchets.  (2) Les cinétiques et les mécanismes de réaction du PICVD ainsi que les paramètres opérationnels optimaux permettant un contrôle sur la chimie, l'épaisseur et la morphologie du film déposé.  (3) Détermination du potentiel de mise à l'échelle du PICVD par l'encapsulation fonctionnelle de nanoparticules magnétiques d'oxyde de fer dans un réacteur à lit fluidisé assisté par jet dans l'objectif de son industrialisation qui permettra de diminuer de l'écart entre le revêtement de nanoparticules à grande échelle et à petite échelle. Dans la première section, nous développons une méthodologie permettant d'extraire des nanoparticules fonctionnelles encapsulées peu coûteuses provenant de cendres volantes issues de déchets municipaux. En plus de démontrer les bénéfices apportés à l'environnement grâce à l'application économique de deux flux de déchets, soit les cendres volantes municipales et la production mondiale de gaz de synthèse, notre approche illustre la possibilité de production de matériels de valeur à faible coût.  Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons de quelles façons les paramètres opérationnels, c'est-à-dire le temps de résidence, la durée du traitement ainsi que le ratio gazeux, affectent l'épaisseur, la morphologie et la densité de groupes fonctionnels d'intérêts. Nous proposons ensuite une cinétique et un mécanisme de réaction pour le PICVD pas gaz de synthèse via des lampes UVC, ceci n'ayant jamais été fait auparavant. Finalement, dans la troisième partie de ce travail, nous diminuons l'écart entre le revêtement de surface de nanoparticules à petite échelle et les applications industrielles à grande échelle, permettant ainsi la synthèse de grandes quantités de nanoparticules multifonctionnelles encapsulées avec une technique à faible consommation d'énergie et consommant un déchet gazeux (syngaz) à température ambiante et pression atmosphérique. Ceci représente une étape considérable vers le développement durable.  Les recherches présentées dans cette thèse sont donc multidisciplinaires et originales sur plusieurs aspects:  - Dans le domaine de l'environnement, elle aide à résoudre le problème de déchet en les réutilisant à l'aide d'un procédé à faible consommation d'énergie. - Dans le domaine du matériau, elle apporte une solution potentielle au problème d'agglomération des nanoparticules ainsi qu'au développement de nanocatalyseurs et de membranes de séparation. - Dans le domaine des biomatériaux, elle permet de produire des nanoparticules encapsulées fonctionnelles, ayant des applications en imagerie et dans la délivrance de médicaments lors de traitement thérapeutique contre le cancer, en grandes quantités à partir d'une technique économique.  ABSTRACT: Surface modification techniques have gained a lot of interest due to their ability to tailor surface properties without altering the bulk of the material. However, there is a need for new precursors as well as cheap, industrially scalable processes.  Although many methods have been exploited for surface modifications, most are suffering from complexity of preparation (e.g., sol-gel technique), expensive equipment and expensive and prohibitive operating conditions (low pressure and / or high temperature, for plasma or thermally-activated chemical vapor deposition - CVD -). Thus, this research project will address these limitations by studying a more technically relevant functionalization approach, i.e., photo-initiated CVD (PICVD). This technique has superiority due to its simple reactor design, ease of use and control, scalability, versatility, affordability and low environmental footprint. In addition to addressing the treatment problems listed above, the energy efficiency of this method is higher than traditional CVD methods since the wavelength used for precursor irradiation is selected to target specific molecular bonds.  On the other hand, industrial waste is becoming a real challenge for today's world. The global syngas production was recorded at 116,600.0 MW thermal (MWth) in 2014 and is projected to reach 213,100.0 MWth by 2020, at a compound annual growth rate of 9.5% between 2015 and 2020. Given the massive scale production of syngas as by-products of several processes, the practical implementation of this compound for functional coating may have a profound impact on the environment, as well as on the coating and deposition industries.  To overcome these issues, we investigated Fischer−Tropsch synthesis. In this process, catalysts are used to transform syngas into hydrocarbons. Catalysts deactivate during this process because of the formation of lightly polymerized carbon species. This surface fouling can be reimagined as surface engineering; this triggered us to consider syngas as an alternative reactive precursor in PICVD.  In this thesis, we investigated three distinct aspects of the PICVD process:  (1) Feasibility and applicability of syngas PICVD via UVC lamps through a waste management case study.  (2) Kinetics and mechanism of the process while looking at the effective operational parameters in order to have control over the chemistry, film thickness as well as morphology of the deposited film.  (3) Scalability of the process through functional encapsulation of magnetic iron oxide nanoparticles in jet-assisted fluidized bed reactor towards industrialization and fulfilling the gap between large-scale and small-scale nanoparticle coating.  In the first section, we have developed a methodology to extract cheap functional encapsulated nanoparticles from municipal fly ash waste stream. Our proposed approach, not only benefits the environment through economic application of two waste streams: municipal fly ash and global syngas production but also help the low cost production of valuable materials.  In a second part of this research thesis, we showed how the operational parameters, e.g. residence time, treatment duration as well as gas ratio, affect the thickness, morphology and density of functional groups of interest, we proposed a kinetics and mechanism for syngas PICVD process via UVC lamps which has never been done before.  The third part of this thesis work bridged the gap between small-scale nanoparticle surface coating and large-scale industrial applications, allowing the synthesis of large quantities of encapsulated multifunctional nanoparticles with an energy-saving technique that consumed gas waste (syngas) at ambient temperature and at atmospheric pressure, a considerable step towards sustainability development.  The research presented in this thesis is thus multidisciplinary and original on several aspects:  - in the field of environment, help to address the waste stream problems by reusing them for a valuable industries under low energy consumption process.  - in the field of material, potentially address the problem of agglomeration of nanoparticles and the development of nanocatalysts and separating membrane.  - in the field of biomaterials, produce functional encapsulated nanoparticles in large quantities with economic technique which have great application in imaging and drug delivery for therapeutic application in cancer treatment.


identifier: Luinaud, T. (2017). Algorithmes et architectures pour l'implémentation de la détection d'expressions régulières  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La prochaine génération de réseau mobile, la 5G, devrait supporter des latences 10 fois plus faibles avec des débits et un nombre d'appareils connectés 100 fois plus importants qu'aujourd'hui. Dans le même temps, les opérateurs et les gestionnaires de réseaux veulent des systèmes plus modulaires qui puissent s'adapter rapidement aux nouveaux protocoles, mais qui ne consomment pas plus d'énergie que les solutions actuelles. Les opérateurs et administrateurs sont donc de plus en plus intéressés par des plateformes reconfigurables telles que des FPGA. Cependant, ces plateformes nécessitent encore des experts pour être utilisées et ont des temps de développement qui peuvent être longs ce qui les rend difficiles à intégrer. De plus, les infrastructures informatiques sont des éléments de plus en plus critiques pour le fonctionnement de l'économie. La sécurité des réseaux est donc devenue un point important pour protéger ces infrastructures. Actuellement la protection des réseaux est effectuée en utilisant des Systèmes de Détection d'Intrusions — Intrusion Detection System (IDS) qui effectuent l'inspection en profondeur de paquets — Deep Packet Inspection (DPI). Pour permettre la protection, les IDS comparent le contenu des paquets transitant sur le réseau à des règles prédéterminées. Ces règles sont représentées soit par des chaînes de caractères ou bien des expressions régulières. Dans ce mémoire, nous proposons trois contributions en rapport à l'utilisation de FPGA pour effectuer de la recherche de texte et d'expressions régulières dans les réseaux. Ces trois réalisations sont implémentées sur des FPGA et respectent les contraintes de latence liées aux réseaux.  ABSTRACT: The next generation of mobile networks, called 5G, is expected to achieve significantly better performance than present networks : latency 10x smaller, throughput 100x higher with 100x more connected devices over the so-called 4G. Moreover, service providers and network administrators will need more configurable systems able to rapidly support new protocols. Furthermore, the power consumption of the resulting network infrastructure remains a critical consideration. A possible solution to meet all those requirements involves the use of FPGAs. However, the development complexity causes integration difficulties. In addition, computers and data-centers are more and more critical systems. Consequently, security is an important issue. This motivates introducing Intrusion Detection Systems (IDS), which perform Deep Packet Inspection (DPI). IDSs compare the network flow against a set of rules that are expressed with strings and regular expressions. This thesis proposes three contributions in regard to FPGAs utilization for text and regular expression search. Those contributions respect the latency constraint of networks and are implemented into FPGAs.


identifier: Moreso, E. (2017). Optimisation de la localisation et la configuration d'infrastructures de recharge pour une flotte de taxis électriques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les enjeux actuels autour de l'écologie et du développement de nouveaux modes de transport moins polluants nous amènent à aborder de nouvelles problématiques. Celles traitées dans ce mémoire ont été initiées par le lancement du projet pilote de l'entreprise Taxelco : Téo Taxi, qui a introduit une flotte de taxis électriques à Montréal en novembre 2015. La mise en place et le fonctionnement d'une telle flotte conduit à diverses interrogations, dont notamment celle de la localisation des infrastructures de recharge. Nous proposons de traiter cette problématique en trois étapes : la localisation des infrastructures de recharge, l'attribution des courses aux véhicules et la configuration des stations. Ces trois problèmes sont formulés en programmes linéaires, dont les objectifs sont de minimiser les distances d'accès aux sites de recharge, pour les modèles de localisation et de configuration et de minimiser le nombre de véhicules en service, pour le modèle d'attribution des courses. Les modèles de localisation et de configuration prennent en compte en entrée un ensemble de données de courses représenté par une matrice de déplacements interzones. L'objectif de ces modèles est de localiser les sites de recharge à proximité des zones les plus visitées (zones accueillant le plus d'extrémités de courses). Chacune des zones est alors associée à un et un seul site de recharge. La configuration vise à répartir un nombre de bornes donné sur les différents sites localisés, en tenant compte alors du nombre de déplacements associés à chaque site. Le modèle d'attribution des courses consiste en un modèle de flux dans un réseau, pour lequel on souhaite satisfaire la totalité des courses en entrée avec un minimum de véhicules, nous prenons également en compte le problème de la recharge des taxis et la localisation des stations déterminée préalablement. Les modèles mathématiques mentionnés sont développés sous AIMMS ou AMPL et résolus par le solveur CPLEX. Les différentes expériences présentées dans ce mémoire sont appliquées au projet Téo Taxi et traitent donc de cas spécifiques rencontrés sur le développement de cette flotte de taxis électriques. Nous prenons en compte l'état actuel de leur réseau de recharge, ainsi que des diverses améliorations et modifications envisagées. Ces expériences sont possibles et pertinentes grâce à l'ensemble des données fournies par Téo Taxi. Nous élaborons donc une série d'expériences, compte tenu de l'état du réseau de recharge de Téo Taxi en mars 2017 : trois sites répartis sur l'île de Montréal et un quatrième site envisagé. Ces expériences ont pour but de localiser optimalement trois sites de recharge puis quatre sites sur le territoire d'étude et enfin de considérer les trois sites de recharge de Téo Taxi afin de localiser optimalement uniquement un quatrième site. Nous utilisons alors le modèle d'attribution comme outil de simulation pour évaluer les différentes localisations et déterminer la sollicitation des différentes stations, sur le cas d'une journée de service. Enfin, pour l'étape de configuration des stations, nous répartissons, tout d'abord, 50 bornes entre les stations de recharge pour tous les cas de localisation, puis nous nous appuyons sur les résultats précédents concernant la sollicitation des stations pour établir des comparaisons. Une seconde série d'expériences est ensuite réalisée selon la même approche, en tenant compte des évolutions du réseau de recharge de Téo Taxi en avril 2017 : quatre sites Téo et deux sites supplémentaires envisagés. Les résultats mis en évidence par la résolution du modèle de localisation révèlent les gains potentiels des localisations optimisées des stations. En effet, sur la première série d'expériences, les gains sur le temps total d'accès aux stations de recharge sont évalués entre 20 et 30%, pour les localisations optimisées par rapport aux localisations de Téo Taxi. L'importance d'une répartition optimale de bornes de recharge aux stations est, quant à elle, prouvée par le modèle de configuration. Les résultats présentés démontrent que toutes les stations ne sont pas sollicitées de la même manière et que certaines se doivent de proposer plus de bornes de recharge, car elles sont susceptibles d'accueillir plus de véhicules. Les simulations réalisées sur le seul exemple du 10 octobre 2016 ne permettent pas de conforter ces résultats car l'échantillon est trop restreint. Cependant, le modèle d'attribution, en tant qu'outil de simulation, devrait permettre une validation de ces résultats avec un plan d'expérience plus étendu.  ABSTRACT: The current challenges concerning ecology and the development of less polluting transportation, lead us to address new issues. With this master thesis in collaboration with Taxelco, we discuss some of them. Indeed, Taxelco launched, in November 2015, an electric taxis fleet in Montreal, named Teo Taxi. This project brings new questions, nonetheless our work focuses mainly on charging station location. We address this problem in a three-step approach: charging facilities location, trip allocation to vehicles and stations configuration. These three problems are formulated using linear programming. With the location and configuration models, we seek to minimize the access distance to charging stations, while with the allocation model, we seek to minimize the number of taxis working. The location and configuration models use as input the trip data, represented by a from-to matrix, to locate the charging facilities close to the most visited areas. Then each area is linked with only one charging station. Looking at the trips matrix, the configuration model is used to allocate chargers to stations. The allocation model is formulated as a flow network and aims at satisfying the entire demand with a minimum of taxis. This model includes the locations determined by the charging problem. These three models are developed under AIMMS or AMPL and solved by the solver CPLEX. We use the Teo Taxi case and the specificities of this electric taxis fleet to make different experiments. With those experiments we considered Teo Taxi strategic decisions and development. Thanks to the data provided by Teo Taxi, we present relevant tests. So, we planned experiments based on the existing charging network in March 2017: three Teo stations and a fourth potential one. With those experiments we looked at optimal locations: three optimal stations, four optimal stations and a fourth optimal station with the three current ones. Then with the allocation model, used as a simulation tool, we evaluated the different locations and showed the demand at each station. Finally, we allocated 50 chargers to the stations, with the configuration model, and used the previous results on stations use for comparisons. Then, we repeated the same approach on the charging network updated in April 2017: four Teo stations and two other potential stations. The results provided by the location model show potential gains with the optimized stations locations. Indeed, on the first experiment, we show gains on total access time of around 20 and 30%, with an optimal location against Teo's one. The configuration model results show how the optimal distribution of chargers at stations is significant. In fact, the charging demand is different at each station, so some has to provide more chargers than others. Finally, we use the case of one day (10 October 2016) to simulate different locations, but with this single day we were not able to confirm previous results, because of the restricted sample. However, we can use the allocation model as a simulation tool to validate those results with more elaborate tests.


identifier: Charette, N. (2017). Réparations minces de parapets de ponts avec des bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP)  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le Canada possède un vaste réseau d'infrastructures routières. Cependant, dû à leur âge grandissant, un sous-investissement dans les années 89 à 90 et des conditions climatiques agressives, ceux-ci vont nécessiter dans les prochaines années des investissements majeurs pour leur remplacement ou leur réhabilitation. Ainsi, il devient intéressant d'effectuer des réparations durables et performantes pour le reste de la vie utile des ouvrages. Cependant, les réparations minces sont sensibles au problème de retrait restreint, tel que dans les parapets de ponts, ce qui peut mener à une fissuration précoce de la réparation et affecter négativement leur durabilité et leur efficacité à long terme.  ABSTRACT: Canada has a vast network of road infrastructures. However, due to their increasing age, an underinvestment in the eighties and nineties and aggressive climate conditions, many structure are going to require major investments in the upcoming years for their replacement or their rehabilitation. As such, it is important to repair them sustainably and successfully for the reminder of their service life. However, thin repairs are sensitive to restrained shrinkage such as in bridges parapets, which can lead to premature cracking of the concrete repair and can negatively affect their durability and their long-term efficiency.


identifier: St-Arnaud, K. (2017). Développement d'une sonde portable d'imagerie Raman pour guider l'exérèse de tumeur  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Suite au diagnostic d'un cancer, l'un des premiers traitements appliqués est la résection du tissu cancéreux par un chirurgien. Afin d'assurer le meilleur pronostic au patient, il est important que le chirurgien minimise la quantité de tissu et de cellules cancéreuses résiduels après la chirurgie puisque celles-ci augmentent la probabilité de récurrence du cancer. Dû au manque actuel d'outils permettant de guider le chirurgien, ce dernier doit bien souvent utiliser l'inspection visuelle et la palpation des tissus pour identifier la nature de ces derniers. Ces techniques sont très subjectives et elles ne sont généralement pas assez sensibles pour identifier les infiltrations de cellules cancéreuses ce qui mène souvent à une résection incomplète ou trop agressive des tissus. Il existe donc un réel besoin pour un instrument capable de guider le chirurgien afin de minimiser les risques associés à la résection et d'assurer une exérèse plus complète de la tumeur. Dans les dernières années, plusieurs sondes basées sur la spectroscopie Raman ont démontré leur potentiel pour guider le chirurgien dans la résection des tissus cancéreux en utilisant le contraste moléculaire des tissus. La plupart des implémentations actuelles se présentent sous la forme de sondes d'acquisition ponctuelle ou d'aiguilles dont le volume d'interrogation est restreint à moins de 500 μm de diamètre. D'autre part, le développement d'une sonde d'imagerie Raman ayant un plus grand champ de vue pourrait permettre une analyse moléculaire contextuelle du tissu atteint et ainsi améliorer la localisation des marges et des infiltrations de la tumeur. Dans ce mémoire, deux preuves de concepts de sondes d'imagerie Raman sont présentées. Ceux-ci ont démontré le potentiel futur de développer une sonde d'imagerie Raman capable d'imager un champ de vue de quelques millimètres de diamètre pour guider le chirurgien dans la résection de tumeur.  Une première preuve de concept de sonde d'imagerie Raman a été assemblée pour démontrer la possibilité d'utiliser une matrice cohérente de fibres optiques pour faire de l'imagerie Raman à travers un câble flexible. La reconstruction des images hyperspectrale s'est faite à partir d'un filtre accordable à base de cristaux liquides et d'une caméra EMCCD. Le système a démontré sa capacité à reconstruire des images Raman sur un champ de vue de 25 mm2 avec une résolution spatiale de 55 μm. Un spectre Raman est associé à chaque pixel de l'image couvrant la plage spectrale de 453 à 1749 cm-1 avec une résolution moyenne de 95 cm-1. Pour valider les performances de la nouvelle sonde d'imagerie, des spectres individuels acquis par celle-ci ont été comparés à des spectres acquis par une sonde ponctuelle ayant déjà fait ses preuves. Une forte corrélation avec un coefficient de Pearson moyen R = 0.82 a été observée entre les spectres acquis avec les deux sondes sur des tissus adipeux et musculaires de viande porcine. La sonde d'imagerie a aussi démontré sa capacité à recréer des images moléculaires sur ces mêmes tissus en utilisant la classification par réseau de neurones. Toutefois, cette première implémentation s'est avérée très limitée par son très bas rapport signal sur bruit et sa faible résolution spectrale. De ce fait, plusieurs composants spectraux n'ont pas pu être imagés, limitant ainsi la possibilité du système à classifier des tissus dont le contraste moléculaire est plus faible telle que les tissus cancéreux et les tissus sains. De plus, cette première implémentation n'a pas permis de complètement refléter le concept d'une sonde facilement malléable avec des ports d'illumination et de détection séparés. Il demeure qu'il s'agit de la première utilisation dans la littérature d'une matrice cohérente de fibres pour faire de la spectroscopie Raman sur un champ de vue de quelques millimètres sur des échantillons biologiques.  Une deuxième preuve de concept a été assemblée dans le but de surmonter les limitations de la première implémentation et d'atteindre des spécifications plus près des requis pour l'incorporation en clinique. Le but principal de cette deuxième implémentation consistait à reproduire des spectres Raman similaires à ceux de la sonde ponctuelle sur un champ de vue de quelques millimètres. La nouvelle sonde a été construite en utilisant la même matrice de fibres optiques, mais en changent le système de détection pour un miroir rotatif combiné à un spectromètre d'imagerie afin d'accroître le rapport signal sur bruit et la résolution spectrale. La sonde a été redésignée de sorte à combiner l'illumination et la détection à l'intérieur d'un même port. Le système final a démontré sa capacité à recréer des spectres Raman avec une résolution spectrale de 6 cm-1 sur un champ de vue de 14 mm2 et une résolution spatiale supérieure à 115 μm. La meilleure résolution spectrale a permis l'identification de plusieurs pics Raman déjà répertoriés dans la littérature associés au contenu en protéine et en lipides des tissus de viande porcine et du cerveau de veau. La comparaison des spectres individuels du nouveau système avec la sonde ponctuelle a démontré une meilleure corrélation avec un coefficient de Pearson R>0.85. En utilisant les ratios entre les pics de protéines et de lipides, il a été possible de mettre en contraste les tissus adipeux et musculaires sur la viande porcine et la matière blanche et grise sur le cerveau de veau. Le système présenté dans ce projet de maîtrise pourrait potentiellement être adapté et utilisé à titre de sonde ou d'endoscope pour guider les chirurgies et ainsi assurer une résection plus complète des tumeurs.  ABSTRACT: One of the first line of defense against solid cancer is the surgical resection of all the cancerous tissue by a surgeon. Residual cancer tissue and cells left after the surgery directly impact patient outcome with a higher probability of recurrence, therefore complete resection is important to ensure the best patient prognosis. From the actual lack of surgical guidance instruments, most of the time the surgeon must rely on visual inspection and palpation of the tissue. Those techniques are highly subjective and their lack of sensibility for detecting cancerous cell infiltration often leads to incomplete or overly aggressive resection. There is currently a need for surgical guidance instruments that could help the surgeon perform a more complete cancer resection while improving the safety of the procedure. Raman spectroscopy has shown great promise in the development of fiber-optic probes that have the potential to help the surgeon differentiate between cancerous and normal tissue based on molecular contrast. Up to now, most development led to single point probe or needle with interrogation volumes of less than 500 μm diameter. However, spatial registration of multiple spectra through a mesoscopic wide-field Raman probe could provide clinicians with molecular contextual information to facilitate the localization of tumor margins and infiltration. Here we present two proofs of concepts towards the development of a wide-field Raman probe that could potentially help surgeons in tumor margin assessment.  A first proof-of-concept study shows that spontaneous Raman spectroscopy could be achieved on a large field-of-view through a flexible cable using a coherent bundle of fibers. Reconstruction of hyperspectral images was done using a liquid crystal tunable filter combined with an EMCCD camera. We demonstrated that the developed system is able to recreate a Raman image over a field of view of 25 mm2 with a spatial resolution of 55.7 μm through a flexible cable. Each pixel of the Raman image formed a Raman spectrum covering the spectral range from 453 to 1749 cm-1 with an average spectral resolution of 95 cm-1. Individual fat and adipose tissue of porcine meat spectra of the Raman image correlated well with spectra acquired with an established single point Raman probe with an average Pearson correlation factor of 0.82. Tissue maps were reconstructed based on the molecular contrast generated by Raman spectroscopy using neural network classification. However, this first implementation was limited by the very low signal to noise ratio and a poor spectral resolution. This does not allow the detection of important spectral features required for classification of tissue with subtler molecular differences as cancerous tissue. In addition, the system implementation did not completely reflect the intention to develop a handheld probe with two separate systems to perform the illumination and detection. Nonetheless, this proof of concept was the first in the literature to show a wide-field Raman spectroscopy over a few millimeters through a coherent bundle of fibers on biological samples.  A second proof-of-concept was designed to overcome the limitations of the previous system and to reach suitable specifications for clinical translation. The principal goal of this second prototype was to collect spectra comparable to the established single point Raman probe over a large field of view of a few millimeters. The same coherent bundle fiber was used, with a new detection system involving a rotating mirror combined with an imaging spectrometer to increase spectral resolution and signal to noise ratio. The probe was redesigned to combine the illumination and detection through one end. The system provided Raman spectrum with spectral resolution of 6 cm-1 in each pixel of a 14mm2 image with a spatial resolution below 115 μm. The improved spectral resolution has led to the identification of several peaks of proteins and lipids already reported in the literature over samples of calf brain and swine tissue. Individual spectra from Raman images compared well with the single point Raman probe measurements with a Pearson correlation factor above 0.85. Calf brain and porcine meat tissue maps were reconstructed using peak ratios associated with protein and lipids. Those maps clearly depicted the contrast between adipose and muscle tissue of porcine tissue and contrast between gray and white matter of calf brain. The system presented here have the potential to be translated for clinical use as an intraoperative probe or endoscope to guide the surgeon to minimize the amount of residual pathological tissue after surgery.


identifier: Aouina, A. (2017). Modélisation et simulation thermique des circuits intégrés tridimensionnels  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis leur apparition, les circuits intégrés connaissent une évolution exponentielle dans de nombreux axes. Les circuits intégrés tridimensionnels (3D) gagnent de l'intérêt sur le marché en raison d'une multitude d'avantages comme une taille réduite, un grand nombre de fonctionnalités, une faible consommation d'énergie et une bande passante élevée. Mais en raison de leur architecture tridimensionnelle basée sur une superposition de couches multiples dans une dimension compacte, ces circuits présentent de nouveaux défis en termes de contrôle de température. Le recours à la simulation thermique est incontournable pour permettre de prédire la température et aider le concepteur de ce type de circuit à évaluer de multiples alternatives avant la phase de fabrication. Une simulation efficace doit être précise, facile à réaliser, générique et doit prendre en compte l'aspect évolutif des circuits. Les simulateurs thermiques actuels sont couteux, gourmands en mémoire et peinent à modéliser les futurs circuits intégrés et à suivre leur évolution. Ce mémoire introduit ICTherm : un outil de simulation thermique précis, générique, code ouvert et facile à utiliser. ICTherm est basé sur un ensemble de solveurs numériques et de méthodes d'optimisation assurant une simulation efficace pour les états permanents et transitoires. Une implémentation flexible de l'approche proposée assure la portabilité du code et la facilité de la mise à jour de l'outil. Une interface utilisateur ergonomique est proposée pour permettre une représentation simple des données à saisir ainsi qu'un module de sortie graphique facilitant l'interprétation des résultats pour les utilisateurs. Un ensemble de modules et d'options est proposé pour assurer la modélisation de tout type de circuit intégré tridimensionnel. Nous avons validé l'outil ICTherm proposé à travers divers problèmes thermiques représentatifs. La précision des résultats est semblable à celle des outils commerciaux comme Comsol et nos résultats montrent la capacité de l'outil à modéliser et à simuler de futurs circuits avec de nouvelles contraintes comme les circuits optiques.  ABSTRACT: Since their appearance, the integrated circuit experiencing an exponential evolution in many axis. The three-dimensional integrated circuits are a class of those new ICs that gain more and more interest in many market fields due to their considerable benefits as small size, big number of functionalities, low power consumption and high bandwidth. Because of this 3D architecture based on a superposition of multiple layers in a compact dimension, the 3D ICs carries new challenges in terms of design complexity, devices testing and effective temperature control. Making an efficient design of such devices require multi-discipline skills in electrical, mechanical and thermodynamic fields which constitute a big challenge for the designers. Therefore new, efficient thermal modelling and simulation solutions are required. Thermal modelling and simulation of an integrated circuit aims to reproduce its thermal behaviour in order to predict its components temperature. An efficient heat transfer simulation of the circuit allows to predict the heat and help the designer to evaluate multiple alternatives while the layout and power output of the device are still subject to modifications. This work present ICTherm: an efficient, accurate, generic, open source and easy to use thermal simulation tool. ICTherm is based on a set of numerical solvers and optimization methods ensuring an efficient simulation for both steady and transient states. Flexible software implementation of the proposed approach is offered ensuring the code portability and the ease upgrade of the tool. An ergonomic user interface is proposed as a representation of the needed inputs; like circuit architecture, geometries, simulation parameters; and the thermal schema output to facilitate the use of the simulation tool and results interpretation for users. A set of modules and options are proposed to increase the ability to model any type of three-dimensional integrated circuits. We evaluated the tool on a various representative thermal problems. The accuracy of the results is similar to commercial state of art tools like Comsol and our results show up the capacity of the tool to model and simulate future circuits with new constraints like optical circuits.


identifier: Nadeau, D. (2017). Débogage à large échelle sur des systèmes hétérogènes parallèles  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le traitement parallèle est devenu une nécessité afin de bénéficier du plein potentiel des processeurs centraux modernes. En effet, l'ajout de coeurs de calcul est un des facteurs ayant eu le plus d'impact sur le gain de performance des processeurs dans les dernières années. Pour cette raison, l'usage des processeurs multicoeurs est de plus en plus répandu en industrie ainsi que chez les particuliers, et le nombre de coeurs continue à augmenter. Cependant, le développement de programmes adaptés aux processeurs parallèles apporte de nouveaux défis. En effet, le paradigme de développement séquentiel ne suffit plus, et le programmeur doit prendre en compte le parallélisme. Il doit s'assurer que les interactions entre les fils d'exécution ne créent pas de problèmes. Cela est difficile, notamment lorsque le programme utilise un grand nombre de fils d'exécution, et des problèmes dus au parallélisme peuvent survenir. Cela pose un défi important en industrie, car ces problèmes compliquent le développement logiciel, et peuvent augmenter les coûts de développement. Il est donc nécessaire d'avoir des outils adaptés au développement de programmes parallèles pour permettre aux programmeurs d'identifier et de trouver rapidement ces problèmes. Un outil vital pour le processus de développement logiciel est le débogueur. Cet outil permet à l'utilisateur de contrôler le fonctionnement d'un programme, de l'arrêter à certains endroits et d'utiliser plusieurs autres techniques pour trouver l'origine de problèmes. Or, la majorité des débogueurs et des techniques de débogage utilisés existent depuis plusieurs années, et ont été développés alors que les processeurs parallèles étaient peu répandus. Plusieurs problèmes liés au parallélisme découlent d'une mauvaise synchronisation entre les fils d'exécution. La course de donnée en est un exemple. Elle survient lorsque plusieurs fils d'exécution modifient une variable en mémoire sans synchronisation. La valeur finale de la variable dépend alors de l'ordre d'exécution des fils et peut varier entre différentes exécutions du programme. Ce type de problème n'est donc pas déterministe, et n'arrive pas nécessairement même si on ré-exécute un programme avec les mêmes valeurs de départ. Or, la plupart des techniques de débogage sont intrusives. En effet, stopper un programme et examiner ses variables a un effet important sur la synchronisation. Il arrive donc qu'un problème disparaisse ou change lorsqu'un programme est débogué en raison de l'impact du débogueur. Il est évident que des techniques de débogage minimalement intrusives sont nécessaires afin d'aider les développeurs à déceler ce type d'erreur. Un autre défi présent avec le débogage de programmes parallèles est l'interface utilisateur. En effet, les programmes parallèles contiennent un très grand nombre de fils d'exécution, et peuvent générer un grand débit d'évènements qui doivent être traités par le développeur. Par exemple, il peut être nécessaire d'inspecter l'état de plusieurs dizaines de fils d'exécution lors d'un arrêt du programme pour bien comprendre le contexte. Cela est une tâche pénible, et peut mener le développeur à manquer certains problèmes en raison d'une surcharge d'information. Il peut arriver qu'il soit difficile de trouver l'information pertinente à travers toutes les informations affichées. Il faut donc que l'utilisateur ait accès à une interface qui lui permette de facilement visualiser et contrôler l'état d'un programme.  ABSTRACT: A significant proportion of performance gains in processors in recent years has come from parallel processing. Indeed, adding cores in a processor has been heavily used by most manufacturers to gain performance improvements. For this reason, multi-core and many-core processors are increasingly common in personal computers and industrial systems. However, designing software for parallel processors is not an easy task. Indeed, the sequential programming paradigm traditionally used is not sufficient anymore, as multiple tasks can be processed simultaneously. The software designer must take interactions between threads into account, and write code accordingly. This is a complicated task, especially when a program uses a large number of threads. This can lead to multiple issues, thus increasing development time and cost. Therefore, using development tools suitable for parallel development is essential to allow developers to quickly identify and locate these issues. One of the most important tools is the debugger, a tool to control a program execution and inspect its state. Unfortunately, most debugging tools have been in use for a long time, and were designed to debug single-threaded applications. Many problems can be created by a mistake in thread synchronization. One example is a data race, which occurs when multiple threads try to access a shared variable without concurrency control. In this case, its final value depends on the order in which each thread accesses it, and the result may change between different executions as the thread scheduling varies. Inspecting this type of problem with a debugger can be problematic, as a debugger can be very intrusive and disturb the execution of the program. Therefore, a multi-threading issue may be masked or modified during debugging, greatly diminishing the usefulness of the debugger. Thus, adapted debugging techniques are needed for parallel software. Another challenge is the large amount of data to be handled by the user. Indeed, as parallel software may contain a great number of threads, there is a lot of information to display, and a large number of events can be generated. This can confuse the developer by overloading him with information. Therefore, appropriate techniques to visualize and control multi-threaded software are needed. These two challenges have been addressed during this research project. Two different platforms have been used for tests. The first one is a server with four multi-core processors that has a total of 64 physical cores. The other one is a general-purpose computer with a multi-core processor and a graphic card used for calculations. The GDB debugger has been enhanced to allow dynamic scalable tracing in order to trace parallel programs with minimal overhead. This enhancement has been achieved by modifying GDB to address limitations for parallel tracing, and using LTTng for trace collection. LTTng has also been enhanced to allow dynamic event registration. Finally, the impact of conditional breakpoints has been measured, and a technique to minimize this impact has been proposed.


identifier: Karengera, E. (2017). Amélioration de la production et de la qualité des protéines thérapeutiques recombinantes produites en culture en mode cuvée-alimentée de cellules de mammifère  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La production de protéines thérapeutiques recombinantes en cellule de mammifère représente aujourd'hui une part importante des revenus des industries biopharmaceutiques. Des avancées considérables ont été réalisées ces 30 dernières années dans l'amélioration des rendements des cultures, notamment grâce au développement des procédés en mode cuvée-alimentée (fed-batch). Cependant, malgré des rendements de plus en plus élevés, la qualité des protéines produites est souvent faible, inconsistante et sujette à une grande variabilité d'une production à l'autre. La glycosylation est l'attribut de qualité des glycoprotéines considérée comme la plus critique car celle-ci influence de manière significative l'efficacité et l'immunogénicité du biothérapeutique. Plus particulièrement, la sialylation a un impact majeur sur le temps de demi-vie du biothérapeutique dans le sérum sanguin. Pour ces raisons, les agences de régulation tels que la Food and Drug Administration (FDA) et l'agence européenne des médicaments (EMA) imposent une caractérisation rigoureuse de la qualité des glycoprotéines, rendant ainsi le contrôle et l'optimisation de la glycosylation un enjeu primordial pour les industries pharmaceutiques. Cela représente un challenge de taille car la glycosylation est influencée par une multitude de facteurs allant du choix de la plateforme cellulaire de production, au type de protéines recombinantes produites ainsi qu'aux conditions de culture. Parmi les facteurs affectant la production et la qualité des protéines recombinantes se trouve l'accumulation des déchets métaboliques parmi lesquels le lactate et l'ammonium sont considérés les plus nocifs. Notamment, l'accumulation de l'ammonium contribue à la dégradation de la glycosylation des protéines recombinantes. Dans cette étude, nous avons visé la réduction de l'accumulation de ces métabolites toxiques dans le but d'améliorer la production et la qualité d'une glycoprotéine thérapeutique modèle, l'interféron α2b (IFNα2b), qui est utilisée dans le traitement contre les maladies virales et les cancers.  Dans un premier temps, nous avons démontré l'effet sur la qualité de l'IFNα2b d'une stratégie de génie génétique améliorant le métabolisme central du carbone et réduisant l'accumulation de lactate. En combinant plusieurs techniques complémentaires d'analyse de la glycosylation, nous avons montré que la surexpression du gène de la pyruvate carboxylase cytosolique de levure (PYC2) dans la lignée de cellulaire humaine HEK293 a un effet bénéfique sur la viabilité cellulaire, menant ainsi à un prolongement des conditions favorables pour la glycosylation et l'intégrité de l'IFNα2b. Dans un second temps, nous avons combiné la modification PYC2 à des stratégies de substitution de la glutamine dans le but de réduire l'accumulation d'ammonium. Ces expériences nous ont permis de constater l'effet bénéfique du remplacement de la glutamine par le pyruvate sur la croissance et la viabilité cellulaire ainsi que sur la production protéique. L'alimentation des cellules PYC2 en glucose et en pyruvate, combinée à l'utilisation de précurseurs de la glycosylation a permis de maximiser la production et la qualité de l'IFNα2b. En outre, les cellules surexprimant la PYC2 ont démontré une croissance soutenue, une diminution significative de la production d'ammonium ainsi qu'une meilleure production d'IFNα2b en condition sans glutamine. Cette dernière observation a été exploitée pour développer une stratégie de culture en mode fed-batch) à l'aide d'une solution nutritive concentrée ne contenant pas de glutamine. Cela a permis une réduction drastique de l'accumulation de lactate et d'ammonium, ce qui a eu pour conséquence de doubler la production en interféron α2b en culture en flacons. Des performances améliorées ont également été obtenue lors des cultures en bioréacteur conduisant ainsi, malgré l'absence de glutamine, à la production d'IFNα2b hautement glycosylé.  Enfin, nous avons investigué sur le développement d'une méthode permettant de suivre la glycosylation en cours de culture. La technique de résonance plasmonique de surface associée aux lectines a été utilisée pour capturer l'IFNα2b à partir du surnageant de culture afin d'analyser sa qualité. Ces travaux ont permis de mettre en évidence les défis liés à cette approche et des pistes d'amélioration ont été proposées.   Ce travail apporte une contribution notable dans l'amélioration des procédés de production de protéines thérapeutiques recombinantes. En plus de représenter une première étude sur l'influence de l'altération du métabolisme central du carbone sur la qualité des glycoprotéines recombinantes, cette étude propose des stratégies efficaces et originales pour réduire simultanément le lactate et l'ammonium, les principaux inhibiteurs des procédés de culture de cellules de mammifère. En effet, grâce à leur phénotype avantageux, l'exploitation des cellules PYC2 a permis de concilier une haute production en glycoprotéines avec une haute qualité, offrant ainsi un outil intéressant pour la production de produits médicamenteux plus efficaces et plus sûrs pour le patient.  ABSTRACT: The production of recombinant therapeutic proteins in mammalian cell lines represents today an important part in the revenue of biopharmaceutical companies. The last 30 years have shown tremendous increase in culture yields, notably through the development of fed-batch cultures. Despite these improvements, the quality of the proteins produced tends to be low, inconsistent and prone to high variability from batch to batch. Glycosylation is considered the most critical quality attribute because of its significant influence on the efficacy and the immunogenicity of the biotherapeutics. Especially, sialylation has a big impact on the protein half-life in the bloodstream. For these reasons, regulatory agencies like the FDA and the EMEA demand a rigorous characterization of glycoproteins quality, thereby making the control and the optimization of glycosylation a major concern for the pharmaceutical industries. This represent a serious challenge because glycosylation is influenced by several factors such as the cell line, the recombinant protein produced and the culture conditions. Among the main elements impacting protein production and quality, lactate and ammonia accumulation are considered the most detrimental. Ammonia accumulation, especially, is a well-known cause of the decrease in recombinant protein glycosylation. In this study, we focused on concomitantly reducing the accumulation of these two toxic metabolic wastes with the goal to improve the production and the quality of a model of therapeutic recombinant protein, the interferon α2b (IFNα2b). This glycosylated protein is used for the treatment of viral diseases and several cancers.  Firstly, we studied the influence of a genetic engineering modification aimed to reduce lactate accumulation and to improve the central carbon metabolism on IFNα2b quality. By combining several orthogonal techniques for the analysis of glycosylation, we showed that the overexpression of the yeast pyruvate carboxylase gene (PYC2) in HEK293 cell lines improves cell culture viability which lead to sustained favorable conditions for glycosylation and IFNα2b integrity. Secondly, in order to reduce ammonia accumulation and investigate on potential synergetic effect on protein production and quality, we combined the PYC2 strategy with glutamine substitutions approaches. Theses experiments showed that replacing glutamine by pyruvate is beneficial for cell growth, culture viability and protein production. The supplementation of glucose and pyruvate in combination with glycosylation precursors allowed improving IFNα2b production while sustaining high IFNα2b sialylation. This part of the study also highlighted the singular capability of PYC2 cells to grow in conditions without glutamine while demonstrating reduced ammonia accumulation and enhanced protein production. This characteristic, was then exploited for the development of a glutamine-free fed-batch culture of the PYC2 cells using a concentrated nutrient feed. In addition to reducing lactate and ammonia accumulation, this allowed 2-fold increase in IFNα2b titer in shake flasks. In bioreactor, the glutamine-free fed-batch culture of PYC2 cells also led to drastic reduction in lactate and ammonia accumulation which translated into enhanced IFNα2b production. These improved performances were obtained without impacting IFNα2b quality as evidenced by the similar level of sialylation and glycosylation observed in conditions with and without glutamine.  Finally, we investigated on the development of a technique to monitor recombinant protein glycosylation during the culture. Surface plasmon resonance exploiting the affinity of lectins for specific glycan was used to capture the IFNα2b from culture supernatant and then probe the glycans using a specific lectin. This work brought to light some of the challenges posed by this approach and several led to the proposition of several directions of improvement. This work represents an important contribution for the development of quality-focused protein production processes. In addition to present valuable data on the influence of an altered central carbon metabolism on protein quality, this study proposes strategies to concomitantly reduce the accumulation of the two most detrimental inhibitors of mammalian cell culture performances, lactate and ammonia. Indeed, the exploitation of the advantageous phenotype of PYC2 cells allowed to reconcile protein production and quality, thereby offering an attractive and simple approach for the development of efficient cell culture processes for the mass production of high quality therapeutic glycoproteins.


identifier: Lefebvre-Ropars, G.-L. (2017). Analyse de la contribution des indicateurs de marchabilité à la modélisation de la demande piétonne  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les bienfaits individuels et sociaux de la pratique fréquente de la marche ne sont plus à démontrer. Plusieurs facteurs ont une influence sur l'attractivité de la marche comme moyen de transport pour se déplacer au quotidien. Un environnement urbain dense et diversifié, offrant des infrastructures piétonnes confortables et bien connectées ainsi qu'un accès facile à des services de proximité et au transport collectif, peut encourager le choix de la marche pour effectuer un déplacement. Ces nombreuses dimensions de l'environnement urbain sont cependant difficiles à intégrer dans une démarche de modélisation du choix modal en raison de leur forte colinéarité.  ABSTRACT: The individual and social benefits of walking on a daily basis are well-known. Many factors have a determining influence on the decision of carrying out daily trips on foot. A dense and diverse urban environment, one that offers comfortable pedestrian and well-connected pedestrian infrastructure and offers an easy access to amenities and public transit, can encourage the choice of walking. However, it can be challenging to include the many dimensions of the urban form in a mode choice modelling context due to their high collinearity.


identifier: Musavi Mirkalaei, S. P. (2017). API Failures in Openstack Cloud Environments  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Des histoires sur les pannes de service dans les environnements infonuagiques ont fait les manchettes récemment. Dans de nombreux cas, la fiabilité des interfaces de programmation d'applications (API) des infrastructures infonuagiques étaient en défaut. Par conséquent, la compréhension des facteurs qui influent sur la fiabilité de ces APIs est importante pour améliorer la disponibilité des services infonuagiques. Dans cette thèse, nous étudions les défaillances des APIs de la plateforme OpenStack ; qui est la plate-forme infonuagique à code source ouvert la plus populaire à ce jour. Nous examinons les bogues de 25 modules contenus dans les 5 APIs les plus importantes d'OpenStack, afin de comprendre les défaillances des APIs infonuagiques et leurs caractéristiques. Nos résultats montrent que dans OpenStack, un tiers de tous les changements au code des APIs a pour objectif la correction de fautes ; 7% de ces changements modifiants l'interface des APIs concernés (induisant un risque de défaillances des clients de ces APIs). Grâce à l'analyse qualitative d'un échantillon de 230 défaillances d'APIs et de 71 défaillances d'APIs ayant eu une incidence sur des applications tierces, nous avons constaté que la majorité des défaillances d'APIs sont attribuables à de petites erreurs de programmation. Nous avons également observé que les erreurs de programmation et les erreurs de configuration sont les principales causes des défaillances ayant une incidence sur des applications tierces. Nous avons mené un sondage auprès de 38 développeurs d'OpenStack et d'applications tierces, dans lequel les participants étaient invités à se prononcer sur la propagation de défaillances d'APIs à des applications tierces. Parmi les principales raisons fournies par les développeurs pour expliquer l'apparition et la propagation des défaillances d'APIs dans les écosystèmes infonuagiques figurent : les petites erreurs de programmation, les erreurs de configuration, une faible couverture de test, des examens de code peu fréquents, et une fréquence de production de nouvelles versions trop élevé. Nous avons exploré la possibilité d'utiliser des contrôleurs de style de code, pour détecter les petites erreurs de programmation et les erreurs de configuration tôt dans le processus de développement, mais avons constaté que dans la plupart des cas, ces outils sont incapables de localiser ces types d'erreurs. Heureusement, le sujet des rapports de bogues, les messages contenues dans ces rapports, les traces d'exécutions, et les délais de réponses entre les commentaires contenues dans les rapports de bogues se sont avérés très utiles pour la localisation des fautes conduisant aux défaillances d'APIs.  ABSTRACT: Stories about service outages in cloud environments have been making the headlines recently. In many cases, the reliability of cloud infrastructure Application Programming Interfaces (APIs) were at fault. Hence, understanding the factors affecting the reliability of these APIs is important to improve the availability of cloud services. In this thesis, we investigate API failures in OpenStack ; the most popular open source cloud platform to date. We mine the bugs of 25 modules within the 5 most important OpenStack APIs to understand API failures and their characteristics. Our results show that in OpenStack, one third of all API-related changes are due to fixing failures, with 7% of all fixes even changing the API interface, potentially breaking clients. Through a qualitative analysis of 230 sampled API failures, and 71 API failures that impacted third parties applications, we observed that the majority of API-related failures are due to small programming faults. We also observed that small programming faults and configuration faults are the most frequent causes of failures that propagate to third parties applications. We conducted a survey with 38 OpenStack and third party developers, in which participants were asked about the causes of API failures that propagate to third party applications. These developers reported that small programming faults, configuration faults, low testing coverage, infrequent code reviews, and a rapid release frequency are the main reasons behind the appearance and propagation of API failures. We explored the possibility of using code style checkers to detect small programming and configuration faults early on, but found that in the majority of cases, they cannot be localized using the tools. Fortunately, the subject, message and stack trace as well as the reply lag between comments included in the failures' bug reports provide a good indication of the cause of the failure.


identifier: Mamlouk, M. M. (2017). Approche heuristique pour le placement des machines virtuelles dans un environnement infonuagique de grande taille  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'informatique en nuage est un nouveau paradigme qui fait référence à la mise en disposition des ressources d'une infrastructure informatique permettant de présenter un ensemble de services à la demande. Toutefois, un centre de données pourrait participer grandement dans l'augmentation de l'empreinte carbone si le procédé utilisé par le fournisseur de services ne présente pas une bonne gestion des ressources disponibles. Un fournisseur de services cloud pense principalement aux gains que ses data centers pourraient lui engendrer. Il devra donc trouver un moyen efficace pour que ses bénéfices ne soient jamais diminués. Si de plus, ce dernier pense à la réduction de l'empreinte carbone que pourraient générer ses data centers, il devra trouver un compromis entre les bénéfices qu'ils visent à atteindre et l'empreinte écologique tout en respectant l'accord de niveau de service avec ses clients. Un moyen pour satisfaire ces compromis serait de revoir la disposition des différents composants à l'intérieur du data center. Les machines virtuelles étant une des variables qui pourraient grandement participer dans la définition des stratégies pour la réduction de l'empreinte carbone, le fournisseur de services se voit dans l'obligation de trouver une solution efficace et peu coûteuse. Ainsi, trouver un bon placement des machines virtuelles dans un environnement infonuagique est une étape importante pour les fournisseurs de services afin d'améliorer l'efficacité énergétique de leurs centres de données. Les travaux antérieurs élaborés pour la résolution du problème de placement des machines virtuelles ne regroupent souvent pas toutes les informations concernant les composants dans un centre de données. En effet, chaque composant a sa propre consommation d'énergie et participe de près ou de loin à la définition de l'empreinte écologique d'un data center. Ce mémoire présente le modèle implémenté permettant de calculer l'empreinte carbone d'un centre de données. À travers ce modèle, nous minimisons la fonction objectif à partir des algorithmes de métaheuristique. Nous concevons un algorithme mémétique, une hybridation entre l'algorithme génétique que nous implémentons d'abord seul et l'algorithme de recherche tabou. Nous implémentons ensuite l'algorithme de recuit simulé.  ABSTRACT: Cloud computing is a new paradigm that refers to the provision of resources of an IT infrastructure allowing to present a set of services on demand. However, in this context, a data center could play a significant role in increasing the carbon footprint, if the process used by the service provider does not adequately manage the available resources. The service provider will therefore need to find the best allocation of its data centers components to improve the energy efficiency. Since virtual machines are one of the components that could play an important role in the definition of strategies for reducing the carbon footprint, the service provider is intended to find an efficient and inexpensive solution. Hence, we can consider that finding an adequate placement of virtual machines in a cloud environment is an important step for service providers. To solve the virtual machines placement problem in the cloud, we need a mathematical model that allow us to compute the carbon footprint while considering all the data center' components. In this thesis, we present the model implemented to calculate the carbon footprint of a data center. Through this latter, we minimize the objective function based on the metaheuristic algorithms. We design a memetic algorithm, a hybridization between the genetic algorithm and the tabu search algorithm. Afterwards, we implement the simulated annealing algorithm. For the evaluation of these algorithms, we compare the results obtained in term of carbon footprint cost, as well as the runtime. All the results obtained will be compared with the iterated tabu search algorithm for various problem sizes. The experiments carried out in our work, demonstrate the effectiveness of the memetic algorithm to solve large-scale problems when trying to allocate virtual machines in data centers.


identifier: Lavigne, S. (2017). Caractérisation des mécanismes d'usure en cavitation de revêtements HVOF à base de cavitec  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La cavitation se produit principalement dans les écoulements turbulents où des zones de dépression-surpressions provoquent l'effondrement de microbulles gazeuses. L'implosion de ces germes de cavitation produit des ondes de choc et des microjets d'eau pouvant causer des impacts de l'ordre du giga pascal sur les surfaces en immersion. Les turbines hydrauliques sont particulièrement sujettes à ce type d'érosion pouvant causer plusieurs kilogrammes de dégradation sur les pales d'un seul appareil par année. Il devient ainsi important de mettre au point des revêtements protecteurs pour réparer les turbines et autres composantes hydrauliques. Le test d'érosion par cavitation ultrasonique a été utilisé pour simuler un environnement agressif de cavitation. En accord avec la norme ASTM, une distance de 500 μm a été utilisée entre la tige, oscillant à une fréquence de 20kHz et une amplitude de 50 μm, et les échantillons. De l'eau déminéralisée maintenue à une température de 23°C fut utilisé comme milieu d'immersion afin de négliger les effets de corrosion. Chaque échantillon fut érodé qu'une seule fois pendant une période déterminée afin d'assurer une plus grande reproductibilité des tests. L'alliage CaviTec, connu pour sa très grande résistance à la cavitation sous forme massique, fut donc utilisé pour produire un revêtement de projection thermique HVOF. Cette technique comportant plusieurs avantages pour la production de couches protectrice, les paramètres de dépôts furent optimisés pour augmenter la résistance à la cavitation des revêtements CaviTec HVOF. Le taux d'érosion fut réduit d'un facteur 3 pour atteindre 1,6 mg/h ce qui se compare très bien avec celui des revêtements Stellite-6 (1,0 mg/h) et WC-CoCr (2,5 mg/h) aussi testés dans cette étude. Cependant, la période d'incubation du revêtement CaviTec (~20 min) est loin d'atteindre celle du même alliage sous forme massique (>8h). Une analyse du mécanisme de dégradation a révélé que les défauts dus à la microstructure lamellaire du revêtement HVOF accélèrent sa dégradation. En effet, les particules résistantes de CaviTec sont arrachées de la microstructure due à la propagation de fissures à la frontière des splats orientés parallèlement au substrat. Ainsi, une optimisation du procédé de dépôt, incluant un possible recuit, est toujours envisageable afin d'améliorer les propriétés mécaniques de ce revêtement.  ABSTRACT: Hydraulic turbines used in a constant flow of water can suffer from severe damage. Turbine blade degradation originates mostly from erosion wear, corrosion and cavitation. It has been shown that in fresh water, cavitation erosion is the main wear mechanism. During cavitation erosion, implosion of unstable air bubbles create shock waves and micro-jets of water causing impact forces on immersed surfaces varying from MPa to GPa. The implosion of thousands of bubbles at high frequency induce a low cycle fatigue wear mechanism. The ultrasonic cavitation erosion test is used to investigate the cavitation resistance of material. In this study, the ASTM standard has been respected using a vibrating horn of 20 kHz frequency and 50 μm amplitude. Place in demineralised water (cooled a 23°C), the tip to sample distance was 500 μm. Cavitation erosion curves were built measuring the mass loss of samples after different erosion times to compare the resistance of tested materials. Each sample was eroded once without replacing it in the erosion system. The CaviTec alloy was used to produce a new HVOF coating because this material is known to resist very well, in bulk form, to cavitation erosion. On the other end, the thermal spray deposition offer the advantages of a fast and automated additive techniques. Optimizing deposition parameters, the erosion rate of CaviTec HVOF coatings has been reduced by a factor of 3 reaching 1,6 mg/h which is comparable to Stellite-6 and WC-CoCr coatings (respectively 1,0 and 2,5 mg/h) also tested in this study. However, the incubation period of this new HVOF coating (~20min) is far from reaching the level of the bulk CaviTec (>8h). A systematic study of HVOF coatings degradation mechanism revealed than the lamellar microstructure accelerates the material loss. In fact, the preferential erosion of coating defects (oxide, pores and splat boundary regions) leads to the extraction of cavitation resistant CaviTec splats. A further optimization of the deposition process including a heat treatment of samples surface could be a good solution to recover the incubation period but more study is needed to confirm this hypothesis.


identifier: Wen, J. (2017). Identification d'une fonction coût réaliste de la distribution des forces musculaires en cours de mouvement  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'évaluation fiable des forces musculaires du corps humain est hautement souhaitable pour les applications dans le contexte clinique et de recherche, surtout pour les suivis de pathologies musculosquelettiques dans la réadaptation. Plusieurs modèles pour l'évaluation des forces musculaires basés sur la mesure non invasive ont été proposés depuis 1836. Le modèle de Crowninshield et Brand [1] (1981), qui maximise une fonction coût en représentant l'endurance des fibres musculaires, est un des modèles les plus populaires dans la littérature. Il est à noter que ce modèle est largement utilisé nonobstant sa limitation majeure de la cohérence physiologique. Forster et al. [2] (2004) a signalé que les critères d'optimisation conventionnels sont inadéquats dans la prédiction de la co-contraction musculaire. Ils ont proposé un modèle avancé pour trouver une meilleur solution pour ce problème. De plus, les méthodes d'électromyographie (EMG) qui sont basées directement sur les caractéristiques des signaux EMG sont aussi développées pour accéder aux forces musculaires. Toutefois, cette approche n'est pas largement adoptée à cause de sa complexité d'usage et la nécessité de calibration avant chaque test. Néanmoins, les méthodes d'EMG peuvent conduire à l'identification de fonctions coût plus avancées, qui produit des prédictions plus cohérentes avec l'activation physiologique des muscles par rapport aux fonctions coût sans EMG, et elles sont plus facile à utiliser par rapport aux méthodes basées directement sur les signaux EMG. L'objectif de ce mémoire est de proposer la première fonction coût en combinant les données cinématiques et EMG pour la quantification des forces musculaires pendant le mouvement. La cohérence entre la prédiction de notre méthode et la solution EMG est 18.8% plus élevée qu'avec la méthode de Crowninshield sur une base des données de 17 sujets.  ABSTRACT: A reliable evaluation of muscle forces in the human body is highly desirable for several applications in both clinical and research contexts, especially for the follow-up of musculoskeletal pathologies in rehabilitation. Several models of muscle force distribution based on non-invasive measurements have been proposed since 1836, amongst which Crowninshield et Brand [1]'s (1981), which maximizes a cost-function representing the muscle fiber endurance, is the most popular. It is worth noting that this model is the most widely adopted notwithstanding its major limitations of physiological coherence. Forster et al. [2] (2004) pointed out that these conventional optimization criteria are inadequate in predicting muscle co-contraction, and proposed an improved model to deal with this problem. Moreover, electromyographic (EMG)-driven models have been proposed to assess individual muscle forces, which are based directly on the measured EMG patterns. However, this approach has not been broadly adopted, because of its complexity and the necessity of calibration before each test. Nevertheless, the EMG-driven approach could lead to the identification of more advanced cost-functions, which would be more in line with the muscle physiological activations compared to the EMG-free cost-functions, and easier to use than the evaluation using directly the EMG signals. The objective of this paper is to propose the first cost-function combining kinematic and EMG data for the quantification of muscle forces during movement. The muscle force prediction of our method performs 18.8% higher coherence with the EMG solution than the prediction of Crowninshield's method when tested on a database of 17 subjects.


identifier: Pétel, K. (2017). Évaluation en laboratoire de recouvrements spécifiquement adaptés au contrôle du drainage neutre contaminé  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La restauration de sites générateurs de drainage neutre contaminé (DNC), est un nouveau défi auquel doit faire face l'industrie minière. Les effets du DNC peuvent se résumer en une décharge de métaux lourds toxiques (As, Co, Cd, Cr, Mo, Mn Ni, Sb, Sn, Se, Zn) dans l'environnement à des concentrations dépassants les limites permises par les normes gouvernementales à l'effluent final de la mine. La solubilité de ces métaux à des pH neutres ainsi que leur grande mobilité dans l'eau et l'environnement sont les particularités qui définissent ce type de drainage. Il existe différents modes de formation pour le DNC dont l'oxydation de sulfures dans des résidus miniers contenant un potentiel de neutralisation suffisant pour empêcher la formation du drainage acide et les résidus faisant l'objet du présent projet se classent dans cette catégorie. Les sites potentiellement générateurs de DNC nécessitent le développement de stratégies de restaurations spécifiquement adaptées à leurs caractéristiques géochimiques qui diffèrent de celles rencontrées dans les conditions acides. Ce projet constitue les premiers pas pour le développement de méthodes adaptées (techniquement et économiquement) à des sites générateurs de DNC. Un des aspects principaux de ce projet consiste à déterminer le niveau de contrôle nécessaire pour limiter efficacement la génération de drainage neutre contaminé pour les résidus provenant des parcs de Joutel et de Canadian Malartic. Le phénomène à la base de la mobilisation des métaux dans l'eau est l'oxydation des sulfures. Les difficultés à prédire le drainage neutre contaminé sont souvent reliées à la faible réactivité des rejets ou aux faibles teneurs en métaux potentiellement nuisibles. Tel est le cas pour les résidus potentiellement générateurs de DNC utilisés lors de ces essais, qui démontrent des teneurs initiales en zinc de 70 ppm pour les 2 résidus ainsi qu'une quantité de 450 ppm d'arsenic dans les résidus de Joutel. Les études précédentes ainsi que les résultats des caractérisations chimiques et minéralogiques des résidus de Canadian Malartic et de Joutel, ont démontré que leur potentiel de lixiviation de métaux était faible.  ABSTRACT: Reclamation of contaminated neutral drainage (CND) generating sites is a new challenge facing the mining industry. The effects of CND can be summarized as a discharge of toxic heavy metals (As, Co, Cd, Cr, Mo, Mn Ni, Sb, Sn, Se, Zn) in the environment in concentrations exceeding the limits allowed by government standards. The solubility of these metals at neutral pH and their high mobility in water and the environment are features that define this type of drainage. There are different modes of formation for CND, including the oxidation of sulphides in tailings containing sufficient neutralizing minerals to prevent acid formation, and the tailings covered by this project fall into this category. Potentially CND generating sites require the development of reclamation strategies specifically adapted to their geochemical characteristics which differ from those encountered under acidic conditions. This project is the first step towards the development of (technically and economically)appropriate methods for CND generating sites. A key aspect of this project is to determine the level of control required to effectively limit the generation of contaminated neutral drainage from Joutel and Canadian Malartic tailings. The phenomenon underlying the mobilization of metals in water is the oxidation of sulphides. Difficulties in predicting contaminated neutral drainage are often related to low reactivity of releases or low levels of potentially harmful metals. This is the case for potentially CND generating tailings used in these tests, which demonstrate low initial zinc level (70 ppm) for both tailings and 450 ppm arsenic in Joutel's tailings. Previous studies, as well as chemical and mineralogical characterizations of Canadian Malartic and Joutel's tailings, have shown that their metal leaching potential is low compared to tailings that generate AMD. To simulate the actual oxidation and neutralization processes that take place in the field on a laboratory scale, column kinetic tests are considered to be the most representative of actual field conditions. The oxidation process is accelerated by the alternate wetting and drying of the minerals composing the tailings, this type of test allows precipitation of secondary minerals which are the products of neutralization. Moreover, these physical models (the columns) allow to simulate several types of covers and to evaluate their performance in limiting the leaching of metals / metalloids. For this project, 4 types of covers were tested for each tailing. These scenarios include 2 typical restauration techniques for AMD generating tailing: one cover with capillary barrier effects (CCBE) and one with an elevated water table, and two other scenarios designed to provide less protection. All the materials used in the column tests were characterized (before and after the test) for their mineralogical, chemical, physical and hydrogeological properties.


identifier: Lamothe, G. (2017). Modélisation des changements morphologiques côtiers induits par des tempêtes à l'aide du logiciel Delft-3D  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'érosion des plages des Îles-de-la-Madeleine menace d'endommager d'importantes infrastructures routières à proximité de l'île de Pointe-aux-Loups. Les dunes de sable relient les îles de l'archipel sont des environnements très susceptible d'être érodés par les vagues. Les données historiques permettent de dresser le portrait actuel de la dynamique hydrosédimentaire de la plage de Pointes-aux-Loups. Toutefois, les impacts reliés aux changements climatiques modifient le milieu côtier, dans le golfe du Saint-Laurent.  ABSTRACT: The erosion on Magdalen Island is a threat to nearby infrastructure. The dune linking the islands of the archipelago are extremely susceptible to erosion cause by waves. The beach of Pointes-aux-Loups is one of the most impacted regions on Magdalen Island. Historical data give a fine representation of the actual hydrodynamic and morphological process. However, the impact of global warming as already started to modify the hydrodynamic and meteorological conditions in the St.-Lawrence Gulf.