Physical internet-enabled hyperconnected distribution assessment

L’Internet Physique (IP) est une initiative qui identifie plusieurs symptômes d’inefficacité et non-durabilité des systèmes logistiques et les traite en proposant un nouveau paradigme appelé logistique hyperconnectée. Semblable à l’Internet Digital, qui relie des milliers de réseaux d’ordinateurs personnels et locaux, IP permettra de relier les systèmes logistiques fragmentés actuels. Le but principal étant d’améliorer la performance des systèmes logistiques des points de vue économique, environnemental et social. Se concentrant spécifiquement sur les systèmes de distribution, cette thèse remet en question l’ordre de magnitude du gain de performances en exploitant la distribution hyperconnectée habilitée par IP. Elle concerne également la caractérisation de la planification de la distribution hyperconnectée. Pour répondre à la première question, une approche de la recherche exploratoire basée sur la modélisation de l’optimisation est appliquée, où les systèmes de distribution actuels et potentiels sont modélisés. Ensuite, un ensemble d’échantillons d’affaires réalistes sont créé, et leurs performances économique et environnementale sont évaluées en ciblant de multiples performances sociales. Un cadre conceptuel de planification, incluant la modélisation mathématique est proposé pour l’aide à la prise de décision dans des systèmes de distribution hyperconnectée. Partant des résultats obtenus par notre étude, nous avons démontré qu’un gain substantiel peut être obtenu en migrant vers la distribution hyperconnectée. Nous avons également démontré que l’ampleur du gain varie en fonction des caractéristiques des activités et des performances sociales ciblées. Puisque l’Internet physique est un sujet nouveau, le Chapitre 1 présente brièvement l’IP et hyper connectivité. Le Chapitre 2 discute les fondements, l’objectif et la méthodologie de la recherche. Les défis relevés au cours de cette recherche sont décrits et le type de contributions visés est mis en évidence. Le Chapitre 3 présente les modèles d’optimisation. Influencés par les caractéristiques des systèmes de distribution actuels et potentiels, trois modèles fondés sur le système de distribution sont développés. Chapitre 4 traite la caractérisation des échantillons d’affaires ainsi que la modélisation et le calibrage des paramètres employés dans les modèles. Les résultats de la recherche exploratoire sont présentés au Chapitre 5. Le Chapitre 6 décrit le cadre conceptuel de planification de la distribution hyperconnectée. Le chapitre 7 résume le contenu de la thèse et met en évidence les contributions principales. En outre, il identifie les limites de la recherche et les avenues potentielles de recherches futures.

Valves cardiaques par génie tissulaire - Simplification des essais et concept tubulaire

Les substituts valvulaires disponibles actuellement comportent encore plusieurs lacunes. La disponibilité restreinte des allogreffes, les risques de coagulation associés aux valves mécaniques et la durabilité limitée des bioprothèses en tissu animal sont toutes des problématiques que le génie tissulaire a le potentiel de surmonter. Avec la méthode d’auto-assemblage, le seul support des cellules consiste en leur propre matrice extracellulaire, permettant la fabrication d’un tissu entièrement libre de matériau exogène. Ce projet a été précédé par ceux des doctorantes Catherine Tremblay et Véronique Laterreur, ayant respectivement développé une méthode de fabrication de valves moulées par auto-assemblage et une nouvelle version de bioréacteur. Au cours de cette maîtrise, le nouveau bioréacteur a été adapté à une utilisation stérile avec des tissus vivants et la méthode de fabrication de valves moulées a été modifiée puis éprouvée avec la production de 4 prototypes. Ces derniers n’ont pas permis d’obtenir des performances satisfaisantes en bioréacteur, motivant la conception d’une nouvelle méthode. Plutôt que de tenter de répliquer la forme native des valves cardiaques, des études récentes ont suggéré une géométrie tubulaire. Cela permettrait une fabrication simplifiée, une implantation rapide, et un encombrement minimal en vue d’opérations percutanées. Cette approche minimaliste s’accorde bien avec la méthode d’auto-assemblage, qui a déjà été utilisée pour la production de vaisseaux de petits diamètres. Un total de 11 tubes ont été produits par l’enroulement de feuillets fibroblastiques auto-assemblés, puis ont été transférés sur des mandrins de diamètre inférieur, leur permettant de se contracter librement. La caractérisation de deux tubes contrôles a démontré que cette phase de précontraction était bénéfique pour les propriétés du tissu en plus de prévenir la contraction en bioréacteur. Les prototypes finaux pouvaient supporter un écoulement physiologique pulmonaire. Cette nouvelle méthode montre que le procédé d’auto-assemblage a le potentiel d’être utilisé pour fabriquer des valves cardiaques tubulaires.

Développement d'un senseur électrochimique pour le dosage des nitrates en laboratoire et en pépinière forestière

Le lessivage des nitrates, la contamination de la nappe phréatique et l’eutrophisation des cours d’eau figurent parmi les enjeux planétaires qui affectent la durabilité de l’agriculture et des ressources naturelles. Ce mémoire présente le développement d’une première génération d’un nouveau senseur électrochimique pour le dosage de précisions des nitrates. Celui-ci est basé sur la spectroscopie d’impédance électrochimique d’une membrane polymérique sélective aux ions. Grâce à cette approche, un senseur compact et abordable a été produit. Par son utilisation en solutions aqueuses et en substrats de croissance saturés, il a été montré que le senseur permettait de quantifier des ajouts contrôlés de nitrates allant de 0,6 ppm à 60 ppm. La mise en application en substrat de croissance a pu être étudiée en comparaison avec des méthodes certifiées ISO 17025 visant l’analyse de ces substrats. Le senseur a aussi montré une grande versatilité par son utilisation sur divers appareils de mesure d’impédance. En plus, il a démontré une stabilité possible suite à une implantation d’un mois directement en substrat de croissance sous les variables environnementales d’une pépinière forestière. Par l’étude du spectre d’impédance du senseur en solutions pures de différentes concentrations, il a aussi été possible de proposer le circuit électrique équivalent du système, qui met en évidence deux parcours compétitifs du courant, un au coeur de la membrane et un deuxième en solution. Les résultats de ces travaux sont au coeur de deux publications scientifiques dont le manuscrit est inclus à ce mémoire. Pour finir cette étude, des suggestions seront faites pour guider l’amélioration du senseur par le développement d’une deuxième génération de celui-ci.

Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Hierarchical Forest Management Planning: A Bilevel Wood Supply Modelling Approach

Le processus de planification forestière hiérarchique présentement en place sur les terres publiques risque d’échouer à deux niveaux. Au niveau supérieur, le processus en place ne fournit pas une preuve suffisante de la durabilité du niveau de récolte actuel. À un niveau inférieur, le processus en place n’appuie pas la réalisation du plein potentiel de création de valeur de la ressource forestière, contraignant parfois inutilement la planification à court terme de la récolte. Ces échecs sont attribuables à certaines hypothèses implicites au modèle d’optimisation de la possibilité forestière, ce qui pourrait expliquer pourquoi ce problème n’est pas bien documenté dans la littérature. Nous utilisons la théorie de l’agence pour modéliser le processus de planification forestière hiérarchique sur les terres publiques. Nous développons un cadre de simulation itératif en deux étapes pour estimer l’effet à long terme de l’interaction entre l’État et le consommateur de fibre, nous permettant ainsi d’établir certaines conditions pouvant mener à des ruptures de stock. Nous proposons ensuite une formulation améliorée du modèle d’optimisation de la possibilité forestière. La formulation classique du modèle d’optimisation de la possibilité forestière (c.-à-d., maximisation du rendement soutenu en fibre) ne considère pas que le consommateur de fibre industriel souhaite maximiser son profit, mais suppose plutôt la consommation totale de l’offre de fibre à chaque période, peu importe le potentiel de création de valeur de celle-ci. Nous étendons la formulation classique du modèle d’optimisation de la possibilité forestière afin de permettre l’anticipation du comportement du consommateur de fibre, augmentant ainsi la probabilité que l’offre de fibre soit entièrement consommée, rétablissant ainsi la validité de l’hypothèse de consommation totale de l’offre de fibre implicite au modèle d’optimisation. Nous modélisons la relation principal-agent entre le gouvernement et l’industrie à l’aide d’une formulation biniveau du modèle optimisation, où le niveau supérieur représente le processus de détermination de la possibilité forestière (responsabilité du gouvernement), et le niveau inférieur représente le processus de consommation de la fibre (responsabilité de l’industrie). Nous montrons que la formulation biniveau peux atténuer le risque de ruptures de stock, améliorant ainsi la crédibilité du processus de planification forestière hiérarchique. Ensemble, le modèle biniveau d’optimisation de la possibilité forestière et la méthodologie que nous avons développée pour résoudre celui-ci à l’optimalité, représentent une alternative aux méthodes actuellement utilisées. Notre modèle biniveau et le cadre de simulation itérative représentent un pas vers l’avant en matière de technologie de planification forestière axée sur la création de valeur. L’intégration explicite d’objectifs et de contraintes industrielles au processus de planification forestière, dès la détermination de la possibilité forestière, devrait favoriser une collaboration accrue entre les instances gouvernementales et industrielles, permettant ainsi d’exploiter le plein potentiel de création de valeur de la ressource forestière.