A maximum likelihood framework for protein design

Affiliation: Claudia Kleinman, Nicolas Rodrigue & Hervé Philippe : Département de biochimie, Faculté de médecine, Université de Montréal

À la recherche d'un cadre théorique pour la pratique du design graphique

Les schémas en annexe ont été réalisés avec le logiciel Adobe Illustrator.

Théories du choix rationnel : perspectives et implications en design institutionnel

En raison de sa force explicative et opérationnelle, la théorie du choix rationnel est utilisée au sein de plusieurs disciplines des sciences sociales. Alors que la majorité des économistes conçoivent la théorie du choix rationnel comme un processus de maximisation de l’utilité, la portée de ce modèle est le sujet de nombreuses critiques. Pour plusieurs, certaines préférences ne peuvent être modulées à l’intérieur de ce cadre. Dans ce mémoire, trois conceptions alternatives de la théorie du choix rationnel sont présentées : la rationalité comme présence virtuelle, la rationalité comme mécanisme intentionnel et la rationalité en tant que science du choix. Une analyse critique de celles-ci est effectuée. En design institutionnel, ces trois conceptions de la rationalité offrent des perspectives distinctes. La première met l’emphase sur les motivations non-égocentriques. La seconde mise sur l’aspect adaptatif du processus. La rationalité jouant un rôle privilégié, mais non exclusif, les mécanismes causaux doivent également être considérés. La troisième implique de formuler des règles institutionnels différentes dépendamment du modèle de l’agent rationnel qui est mis de l’avant. L’établissement de règles institutionnelles varie en fonction de la conception adoptée parmi ces théories du choix rationnel.

Scheduled service network design for integrated planning of rail freight transportation

Cette thèse étudie une approche intégrant la gestion de l’horaire et la conception de réseaux de services pour le transport ferroviaire de marchandises. Le transport par rail s’articule autour d’une structure à deux niveaux de consolidation où l’affectation des wagons aux blocs ainsi que des blocs aux services représentent des décisions qui complexifient grandement la gestion des opérations. Dans cette thèse, les deux processus de consolidation ainsi que l’horaire d’exploitation sont étudiés simultanément. La résolution de ce problème permet d’identifier un plan d’exploitation rentable comprenant les politiques de blocage, le routage et l’horaire des trains, de même que l’habillage ainsi que l’affectation du traffic. Afin de décrire les différentes activités ferroviaires au niveau tactique, nous étendons le réseau physique et construisons une structure de réseau espace-temps comprenant trois couches dans lequel la dimension liée au temps prend en considération les impacts temporels sur les opérations. De plus, les opérations relatives aux trains, blocs et wagons sont décrites par différentes couches. Sur la base de cette structure de réseau, nous modélisons ce problème de planification ferroviaire comme un problème de conception de réseaux de services. Le modèle proposé se formule comme un programme mathématique en variables mixtes. Ce dernie r s’avère très difficile à résoudre en raison de la grande taille des instances traitées et de sa complexité intrinsèque. Trois versions sont étudiées : le modèle simplifié (comprenant des services directs uniquement), le modèle complet (comprenant des services directs et multi-arrêts), ainsi qu’un modèle complet à très grande échelle. Plusieurs heuristiques sont développées afin d’obtenir de bonnes solutions en des temps de calcul raisonnables. Premièrement, un cas particulier avec services directs est analysé. En considérant une cara ctéristique spécifique du problème de conception de réseaux de services directs nous développons un nouvel algorithme de recherche avec tabous. Un voisinage par cycles est privilégié à cet effet. Celui-ci est basé sur la distribution du flot circulant sur les blocs selon les cycles issus du réseau résiduel. Un algorithme basé sur l’ajustement de pente est développé pour le modèle complet, et nous proposons une nouvelle méthode, appelée recherche ellipsoidale, permettant d’améliorer davantage la qualité de la solution. La recherche ellipsoidale combine les bonnes solutions admissibles générées par l’algorithme d’ajustement de pente, et regroupe les caractéristiques des bonnes solutions afin de créer un problème élite qui est résolu de facon exacte à l’aide d’un logiciel commercial. L’heuristique tire donc avantage de la vitesse de convergence de l’algorithme d’ajustement de pente et de la qualité de solution de la recherche ellipsoidale. Les tests numériques illustrent l’efficacité de l’heuristique proposée. En outre, l’algorithme représente une alternative intéressante afin de résoudre le problème simplifié. Enfin, nous étudions le modèle complet à très grande échelle. Une heuristique hybride est développée en intégrant les idées de l’algorithme précédemment décrit et la génération de colonnes. Nous proposons une nouvelle procédure d’ajustement de pente où, par rapport à l’ancienne, seule l’approximation des couts liés aux services est considérée. La nouvelle approche d’ajustement de pente sépare ainsi les décisions associées aux blocs et aux services afin de fournir une décomposition naturelle du problème. Les résultats numériques obtenus montrent que l’algorithme est en mesure d’identifier des solutions de qualité dans un contexte visant la résolution d’instances réelles.

The relationship between product design and business models in the context of sustainability

Dans les sphères du développement durable, des modèles d’affaires et du design de produit, certains leviers rendent le croisement de ces trois sphères de plus en plus pertinent. Au croisement de ces trois sphères se trouve une opportunité de comprendre les relations existantes entre le design de produit et les modèles d’affaires afin d’aider les décideurs à développer des solutions davantage durables. L’approche méthodologique de cette recherche utilise un système complexe et est basée sur un paradigme pragmatique. En vue de répondre à la question « Dans quelle mesure des modèles d’affaires et le design de produit sont liés dans un contexte de développement durable? », cette recherche a soigneusement analysé trois cas: Better Place, une compagnie californienne ayant développé une infrastructure permettant le chargement des voitures électriques; Interface Inc., un manufacturier mondial de tuiles de tapis commerciales établi à Atlanta; et Métacycle, un concept d’entreprise développé par une équipe de chercheurs en design à Montréal. Chaque cas a été analysé en corrélant des aspects du design de produit à des éléments de leur modèle d’affaires. Les résultats montrent que dans le contexte du développement durable, le design de produit et les modèles d’affaires sont interdépendants. Les résultats peuvent être résumés en six points: il existe des relations applicables universellement; les innovations de design substantielles jouent un rôle important dans le développement durable; la « durabilité » peut être une qualité émergente d’un modèle d’affaires; les partenariats peuvent être vitaux pour l’intégration des systèmes; un modèle de services a des bénéfices et des limitations considérables; le design peut agir comme levier à l’utilisation d’énergies renouvelables. Pratiquer simultanément l’innovation du modèle d’affaires et du produit peut apporter une valeur ajoutée, susciter des opportunités et augmenter l’efficience sur plusieurs facettes. Toutefois, les risques et les coûts de tels procédés sont souvent très élevés. En aidant à comprendre et définir comment les trois sphères mentionnées plus tôt sont interdépendantes, cette recherche pourrait idéalement inspirer des recherches supplémentaires sur le sujet. L’application par des organisations de la méthodologie et des apprentissages résultant de cette recherche peut permettre à d’autres d’utiliser le croisement entre l’innovation de produit et l’innovation du modèle d’affaires afin de résoudre des enjeux sociaux et environnementaux complexes.

Work design and conflict in the workplace : the moderating effect of personality

La présente recherche a pour objectif d’étudier les effets que peuvent exercer la conception du travail sur le type de conflit qui émerge en milieu de travail. La notion de conception du travail se divise en trois dimensions, soit les caractéristiques reliées à la tâche, les caractéristiques reliées aux connaissances et les caractéristiques sociales. Ces dimensions sont mises en relation avec les deux types de conflit en milieu de travail, soit le conflit relié à la tâche et le conflit relié à la relation. Cette recherche vise également à vérifier l’effet modérateur des traits de personnalités sur les relations entre les dimensions de la conception du travail et celles du conflit en milieu de travail. Cette recherche est basée sur 473 participants qui occupent un emploi rémunéré et qui ont vécu une situation de conflit en milieu de travail allant jusqu’à 6 mois avant la période de sondage, allant du 14 au 18 janvier 2012. Les résultats indiquent qu’il n’y a pas de relations particulières entre la conception du travail et le type de conflit en milieu de travail. En ce qui a trait aux effets des traits de personnalité, les résultats indiquent que ces variables n’ont aucuns effets modérateurs sur la relation entre la conception du travail et le type de conflit en milieu de travail. Globalement, les résultats ne démontrent aucune relation entre la conception du travail et les types de conflit en milieu de travail, ou les effets modérateurs que les traits de personnalités peuvent avoir sur ces relations.

Dessine-moi une maison : psychanalyse d’un processus de design

Cette recherche s’inscrit dans la continuité de celles entreprises en vue d’éclaircir la question du processus de design, et plus spécialement le design architectural de la maison. Elle cherche aussi à développer la réflexivité du designer sur les actes qu’il pose en lui offrant un point de vue depuis l’angle de la psychanalyse. Elle vient rallonger les initiatives amenées par la troisième génération des recherches sur les méthodologies du design en s’intéressant à un volet, jusque-là, peu exploré : le processus inconscient du design architectural. Elle pose comme problématique la question des origines inconscientes du travail créatif chez le concepteur en architecture. La création étant un des sujets importants de la psychanalyse, plusieurs concepts psychanalytiques, comme la sublimation freudienne, l’abordent et tentent de l’expliquer. Le design étant une discipline de création, la psychanalyse peut nous renseigner sur le processus du design, et nous offrir la possibilité de l’observer et de l’approcher. La métaphore architecturale, utilisée pour rendre la théorie freudienne, est aussi le champ d’application de plusieurs théories et concepts psychanalytiques. L’architecture en général, et celle de la maison en particulier, en ce que cette dernière comporte comme investissement émotionnel personnel de la part de son concepteur, constructeur ou utilisateur, offrent un terrain où plusieurs des concepts psychanalytiques peuvent être observés et appliqués. Cette recherche va approcher l’exemple architectural selon les concepts développés par les trois théories psychanalytiques les plus importantes : freudienne, lacanienne et jungienne. L’application de ces concepts se fait par une "autoanalyse" qui met le designer en double posture : celle du sujet de la recherche et celle du chercheur, ce qui favorise hautement la réflexivité voulue. La libre association, une des méthodes de la psychanalyse, sera la première étape qui enclenchera le processus d’autoanalyse et l’accompagnera dans son développement. S’appliquant sur le discours et la forme de la maison, la libre association va chercher à distinguer plusieurs mécanismes psychiques susceptibles d’éclairer notre investigation. Les résultats de l’application des concepts freudiens viendront servir de base pour l’application, par la suite, des concepts de la théorie lacanienne et jungienne. Au terme de cette analyse, nous serions en mesure de présenter une modélisation du processus inconscient du design qui aurait conduit à la création de la maison prise en exemple. Nous découvrirons par cela la nature du processus inconscient qui précède et accompagne le travail créatif du designer. Nous verrons aussi comment ce processus se nourrit des expériences du designer qui remontent jusqu’aux premières années de son enfance. Ceci permettrait de rendre compte de la possibilité d’appliquer les concepts psychanalytiques sur le design architectural et, par ce fait, permettre de déterminer les éventuels façons de concevoir l’apport de la psychanalyse à la pratique de cette discipline qu’est le design ainsi que son enseignement.

Du modèle du cercle magique à celui de la place du joueur : un apport de l’esthétique de la réception au design de jeux vidéo

Ce mémoire propose une réflexion sur des modèles permettant de mieux comprendre et concevoir l’expérience esthétique d’un jeu vidéo. Ces modèles traduisent différents idéaux de la place du joueur. Comme on peut le constater à travers une réflexion sur le modèle du cercle magique, jouer est souvent compris comme un acte unilatéral d’entrée en imagination dans un monde étranger au monde actuel – toute sortie marquant la pénalité ou la fin du jeu. De ce point de vue, le designer aurait donc pour rôle de placer et de maintenir le joueur dans le monde virtuel représenté pour qu’il s’y sente immergé et présent. Cela dit, comme en témoignent les critiques qui s’élèvent contre le modèle du cercle magique, d’autres stratégies de mise en place du joueur sont à distinguer et à définir pour faciliter l’analyse et la conception des jeux vidéo. Devant ce modèle, jugé limitatif, ce que nous proposons ici est de recourir à quelques outils méthodologiques et typologiques de l’esthétique de la réception en histoire de l’art pour bâtir un modèle plus englobant, celui de la place du joueur, dont nous testons la validité par l’analyse du jeu vidéo God of War III (2010).

Calculs ab initio de structures électroniques pour un meilleur design de polymères photovoltaïques

La présente thèse porte sur l'utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans le design de polymères pour applications photovoltaïques. L'étude porte d'abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l'expérience. La stabilité et les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de polycarbazole. Par la suite, l'utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l'efficacité des cellules solaires organiques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l'efficacité surpasse l'approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans l'exploration de l'espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés électroniques intéressantes sont présentés.

The autotelic experience : a design approach to user experience

Si les principes d’utilisabilité guident la conception de solutions de design interactif pour s’assurer que celles-ci soient « utilisables », quels principes guident la conception d’objets interactifs pour s’assurer que l’expérience subjective de l’usager (UX) soit adéquate et mémorable? Que manque-t-il au cadre de l‘UX pour expliquer, comprendre, et anticiper en tant que designer une expérience mémorable (‘an experience’; Dewey, 1934)? La question centrale est issue d’une double problématique : (1) le cadre théorique de l’UX est incomplet, et (2) les processus et capacités des designers ne sont pas considérés et utilisés à leur pleine capacité en conception UX. Pour répondre à cette question, nous proposons de compléter les modèles de l’UX avec la notion d’expérience autotélique qui appartient principalement à deux cadres théoriques ayant bien cerné l’expérience subjective, soit l’expérience optimale (ou Flow) de Csikszentmihalyi (1988) et l’expérience esthétique selon Schaeffer (2001). L’autotélie est une dimension interne du Flow alors qu’elle couvre toute l’expérience esthétique. L’autotélie est une expérience d’éveil au moment même de l’interaction. Cette prise de conscience est accompagnée d’une imperceptible tension de vouloir faire durer ce moment pour faire durer le plaisir qu’il génère. Trois études exploratoires ont été faites, s’appuyant sur une analyse faite à partir d’un cadre théorique en trois parties : le Flow, les signes d’activité non verbale (les gestes physiques) et verbale (le discours) ont été évalués pour voir comment ceux-ci s’associent. Nos résultats tendent à prouver que les processus spatiaux jouent un rôle de premier plan dans l’expérience autotélique et par conséquent dans une UX optimale. De plus, ils suggèrent que les expériences pragmatique et autotélique sont ancrées dans un seul et même contenu, et que leur différence tient au type d’attention que le participant porte sur l’interaction, l’attention ordinaire ou de type autotélique. Ces résultats nous ont menés à proposer un modèle pour la conception UX. L’élément nouveau, resté jusqu’alors inaperçu, consiste à s’assurer que l’interface (au sens large) appelle une attitude réceptive à l’inattendu, pour qu’une information puisse déclencher les processus spatiaux, offrant une opportunité de passer de l’attention ordinaire à l’attention autotélique. Le nouveau modèle ouvre la porte à une meilleure valorisation des habiletés et processus du designer au sein de l’équipe multidisciplinaire en conception UX.

Design of a Knowledge-Based Geographic Information System

A GIS has been designed with limited Functionalities; but with a novel approach in Aits design. The spatial data model adopted in the design of KBGIS is the unlinked vector model. Each map entity is encoded separately in vector fonn, without referencing any of its neighbouring entities. Spatial relations, in other words, are not encoded. This approach is adequate for routine analysis of geographic data represented on a planar map, and their display (Pages 105-106). Even though spatial relations are not encoded explicitly, they can be extracted through the specially designed queries. This work was undertaken as an experiment to study the feasibility of developing a GIS using a knowledge base in place of a relational database. The source of input spatial data was accurate sheet maps that were manually digitised. Each identifiable geographic primitive was represented as a distinct object, with its spatial properties and attributes defined. Composite spatial objects, made up of primitive objects, were formulated, based on production rules defining such compositions. The facts and rules were then organised into a production system, using OPS5

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Research through DESIGN through research - a problem statement and a conceptual sketch

This paper re-addresses the issue of a lacking genuine design research paradigm. It tries to sketch an operational model of such a paradigm, based upon a generic design process model, which is derived from basic notions of evolution and learning in different domains of knowing (and turns out to be not very different from existing ones). It does not abandon the scientific paradigm but concludes that the latter has to be embedded into / subordinated under a design paradigm.

Genetic Programming meets Model-Driven Development

Genetic programming is known to provide good solutions for many problems like the evolution of network protocols and distributed algorithms. In such cases it is most likely a hardwired module of a design framework that assists the engineer to optimize specific aspects of the system to be developed. It provides its results in a fixed format through an internal interface. In this paper we show how the utility of genetic programming can be increased remarkably by isolating it as a component and integrating it into the model-driven software development process. Our genetic programming framework produces XMI-encoded UML models that can easily be loaded into widely available modeling tools which in turn posses code generation as well as additional analysis and test capabilities. We use the evolution of a distributed election algorithm as an example to illustrate how genetic programming can be combined with model-driven development. This example clearly illustrates the advantages of our approach – the generation of source code in different programming languages.

Design, implementation and application of a generic framework for integrated regional land-use modeling

Land use is a crucial link between human activities and the natural environment and one of the main driving forces of global environmental change. Large parts of the terrestrial land surface are used for agriculture, forestry, settlements and infrastructure. Given the importance of land use, it is essential to understand the multitude of influential factors and resulting land use patterns. An essential methodology to study and quantify such interactions is provided by the adoption of land-use models. By the application of land-use models, it is possible to analyze the complex structure of linkages and feedbacks and to also determine the relevance of driving forces. Modeling land use and land use changes has a long-term tradition. In particular on the regional scale, a variety of models for different regions and research questions has been created. Modeling capabilities grow with steady advances in computer technology, which on the one hand are driven by increasing computing power on the other hand by new methods in software development, e.g. object- and component-oriented architectures. In this thesis, SITE (Simulation of Terrestrial Environments), a novel framework for integrated regional sland-use modeling, will be introduced and discussed. Particular features of SITE are the notably extended capability to integrate models and the strict separation of application and implementation. These features enable efficient development, test and usage of integrated land-use models. On its system side, SITE provides generic data structures (grid, grid cells, attributes etc.) and takes over the responsibility for their administration. By means of a scripting language (Python) that has been extended by language features specific for land-use modeling, these data structures can be utilized and manipulated by modeling applications. The scripting language interpreter is embedded in SITE. The integration of sub models can be achieved via the scripting language or by usage of a generic interface provided by SITE. Furthermore, functionalities important for land-use modeling like model calibration, model tests and analysis support of simulation results have been integrated into the generic framework. During the implementation of SITE, specific emphasis was laid on expandability, maintainability and usability. Along with the modeling framework a land use model for the analysis of the stability of tropical rainforest margins was developed in the context of the collaborative research project STORMA (SFB 552). In a research area in Central Sulawesi, Indonesia, socio-environmental impacts of land-use changes were examined. SITE was used to simulate land-use dynamics in the historical period of 1981 to 2002. Analogous to that, a scenario that did not consider migration in the population dynamics, was analyzed. For the calculation of crop yields and trace gas emissions, the DAYCENT agro-ecosystem model was integrated. In this case study, it could be shown that land-use changes in the Indonesian research area could mainly be characterized by the expansion of agricultural areas at the expense of natural forest. For this reason, the situation had to be interpreted as unsustainable even though increased agricultural use implied economic improvements and higher farmers' incomes. Due to the importance of model calibration, it was explicitly addressed in the SITE architecture through the introduction of a specific component. The calibration functionality can be used by all SITE applications and enables largely automated model calibration. Calibration in SITE is understood as a process that finds an optimal or at least adequate solution for a set of arbitrarily selectable model parameters with respect to an objective function. In SITE, an objective function typically is a map comparison algorithm capable of comparing a simulation result to a reference map. Several map optimization and map comparison methodologies are available and can be combined. The STORMA land-use model was calibrated using a genetic algorithm for optimization and the figure of merit map comparison measure as objective function. The time period for the calibration ranged from 1981 to 2002. For this period, respective reference land-use maps were compiled. It could be shown, that an efficient automated model calibration with SITE is possible. Nevertheless, the selection of the calibration parameters required detailed knowledge about the underlying land-use model and cannot be automated. In another case study decreases in crop yields and resulting losses in income from coffee cultivation were analyzed and quantified under the assumption of four different deforestation scenarios. For this task, an empirical model, describing the dependence of bee pollination and resulting coffee fruit set from the distance to the closest natural forest, was integrated. Land-use simulations showed, that depending on the magnitude and location of ongoing forest conversion, pollination services are expected to decline continuously. This results in a reduction of coffee yields of up to 18% and a loss of net revenues per hectare of up to 14%. However, the study also showed that ecological and economic values can be preserved if patches of natural vegetation are conservated in the agricultural landscape. -----------------------------------------------------------------------