Modern optimization in earthwork construction

Earthworks tasks are often regarded in transportation projects as some of the most demanding processes. In fact, sequential tasks such as excavation, transportation, spreading and compaction are strongly based on heavy mechanical equipment and repetitive processes, thus becoming as economically demanding as they are time-consuming. Moreover, actual construction requirements originate higher demands for productivity and safety in earthwork constructions. Given the percentual weight of costs and duration of earthworks in infrastructure construction, the optimal usage of every resource in these tasks is paramount. Considering the characteristics of an earthwork construction, it can be looked at as a production line based on resources (mechanical equipment) and dependency relations between sequential tasks, hence being susceptible to optimization. Up to the present, the steady development of Information Technology areas, such as databases, artificial intelligence and operations research, has resulted in the emergence of several technologies with potential application bearing that purpose in mind. Among these, modern optimization methods (also known as metaheuristics), such as evolutionary computation, have the potential to find high quality optimal solutions with a reasonable use of computational resources. In this context, this work describes an optimization algorithm for earthworks equipment allocation based on a modern optimization approach, which takes advantage of the concept that an earthwork construction can be regarded as a production line.

Améliorations et optimisation globale de la méthode des analogues pour la prévision statistique des précipitations. Développement d'un outil de prévision et application opérationnelle au bassin du Rhône à l'amont du Léman.

Le bassin du Rhône à l'amont du Léman peut être sujet à de fortes précipitations en mesure de provoquer des crues significatives. L'objectif du projet MINERVE dans lequel s'inscrit le présent travail consiste à fournir des outils pour la prévision et la gestion des crues par des actions préventives sur les aménagements hydroélectriques à accumulation. Pour satisfaire ce dernier, il est nécessaire de prévoir au mieux les cumuls de précipitations pour les jours suivants. Ceci est actuellement effectué par le modèle numérique de prévision de MétéoSuisse ; mais, en raison des grandes incertitudes liées à la quantification des événements extrêmes, il a été décidé qu'une approche parallèle de nature statistique pourrait compléter l'information disponible. Ainsi, nous avons adapté la méthode des analogues, qui est une technique de prévision statistique des précipitations, au contexte alpin du bassin d'étude. Pour ce faire, plusieurs paramétrisations de la méthode ont été documentées et calibrées. Afin de prendre en main la méthode, nous avons effectué de multiples analyses paramétriques sur les variables synoptiques, mais également sur la constitution de groupements pluviométriques. Une partie conséquente de cette étude a été consacrée à la programmation d'un logiciel de prévision automatique par la méthode des analogues, ainsi qu'à un outil de visualisation des résultats sous forme de cartes et graphiques. Ce logiciel, nommé Atmoswing, permet d'implémenter un grand nombre de méthodes différentes de prévision par analogie. L'outil est opérationnel depuis mi-2011 et nous a permis de confirmer l'intérêt de la prévision par analogie. La méthode étant ici appliquée à un nouveau contexte, un grand nombre de variables synoptiques ont été évaluées. Nous avons alors confirmé l'intérêt des deux niveaux d'analogie sur la circulation atmosphérique et sur le flux d'humidité, tout en apportant des améliorations à celles-ci. Il en résulte des paramétrisations présentant des scores de performance supérieurs aux méthodes de référence considérées. Nous avons également évalué d'autres améliorations, comme l'introduction d'une fenêtre temporelle glissante afin de rechercher de meilleures analogies synoptiques à d'autres heures de la journée, ce qui s'est avéré intéressant, tout comme une prévision infrajournalière à pas de temps de 6 h. Finalement, nous avons introduit une technique d'optimisation globale, les algorithmes génétiques, capable de calibrer la méthode des analogues en considérant tous les paramètres des différents niveaux d'analogie de manière conjointe. Avec cette technique, nous pouvons nous approcher objectivement d'une paramétrisation optimale. Le choix des niveaux atmosphériques et des fenêtres temporelles et spatiales étant automatisé, cette technique peut engendrer un gain de temps, même si elle est relativement exigeante en calculs. Nous avons ainsi pu améliorer la méthode des analogues, et y ajouter de nouveaux degrés de liberté, notamment des fenêtres spatiales et des pondérations différenciées selon les niveaux atmosphériques retenus.

Approches générales de résolution pour les problèmes multi-attributs de tournées de véhicules et confection d'horaires

Thèse réalisée en cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université de Technologie de Troyes

Contrôle adaptatif d'un bioréacteur cardiaque par algorithme génétique

Un bon fonctionnement du coeur humain est primordial pour maintenir une bonne qualité de vie. Cependant, lorsque le coeur est défaillant, certaines interventions chirurgicales s’avèrent nécessaires pour prolonger l’espérance de vie. Dans le cadre d’un projet multidisciplinaire reliant le génie mécanique avec le domaine biomédical, notre équipe travaille sur la fabrication de valves cardiaques conçues entièrement par génie tissulaire. Pour y parvenir, il est important d’obtenir des propriétés mécaniques optimales pour les tissus biologiques. Afin d’obtenir ces propriétés mécaniques, un outil important a été fabriqué lors d’une étude antérieure : le bioréacteur cardiaque. Le bioréacteur cardiaque permet de reproduire l’environnement physiologique du coeur, notamment les conditions de débit et de pression. Il est crucial de bien contrôler ces conditions, car celles-ci jouent un rôle important lors du conditionnement des substituts valvulaires. Toutefois, il est complexe de contrôler simultanément ces deux conditions de manière efficace. C’est pourquoi notre équipe s’est concentrée sur le développement d’une nouvelle stratégie de contrôle afin que le bioréacteur puisse reproduire le plus fidèlement possible l’environnement physiologique. Plusieurs techniques de contrôle ont été essayés jusqu’à maintenant. Par contre, leur précision était généralement limitée. Une nouvelle approche a donc été envisagée et est présentée dans ce mémoire. Cette nouvelle approche pour le contrôle du bioréacteur est basée sur un type d’algorithme bien connu mais encore très peu utilisé en contrôle : les algorithmes génétiques. Cette approche prometteuse nous a permis de produire des résultats dépassant tous ceux obtenus jusqu’à maintenant pour l’une des deux conditions, soit le débit physiologique.

Ordonnancement des opérations dans une unité d’extrusion

Les travaux de ce mémoire traitent du problème d’ordonnancement et d’optimisation de la production dans un environnement de plusieurs machines en présence de contraintes sur les ressources matérielles dans une usine d’extrusion plastique. La minimisation de la somme pondérée des retards est le critère économique autour duquel s’articule cette étude car il représente un critère très important pour le respect des délais. Dans ce mémoire, nous proposons une approche exacte via une formulation mathématique capable des donner des solutions optimales et une approche heuristique qui repose sur deux méthodes de construction de solution sérielle et parallèle et un ensemble de méthodes de recherche dans le voisinage (recuit-simulé, recherche avec tabous, GRASP et algorithme génétique) avec cinq variantes de voisinages. Pour être en totale conformité avec la réalité de l’industrie du plastique, nous avons pris en considération certaines caractéristiques très fréquentes telles que les temps de changement d’outils sur les machines lorsqu’un ordre de fabrication succède à un autre sur une machine donnée. La disponibilité des extrudeuses et des matrices d’extrusion représente le goulot d’étranglement dans ce problème d’ordonnancement. Des séries d’expérimentations basées sur des problèmes tests ont été effectuées pour évaluer la qualité de la solution obtenue avec les différents algorithmes proposés. L’analyse des résultats a démontré que les méthodes de construction de solution ne sont pas suffisantes pour assurer de bons résultats et que les méthodes de recherche dans le voisinage donnent des solutions de très bonne qualité. Le choix du voisinage est important pour raffiner la qualité de la solution obtenue. Mots-clés : ordonnancement, optimisation, extrusion, formulation mathématique, heuristique, recuit-simulé, recherche avec tabous, GRASP, algorithme génétique

Aspects génétiques de la consommation de tabac et prise en charge clinique [Genetic aspects of smoking and impact on clinical care]

Tobacco smoking is a major public health issue and a better understanding of tobacco addiction represents an important challenge. Many factors are involved in tobacco addiction, including genetic factors. Taking them into account in smoking cessation programs would allow to better adapt these programs to individual characteristics and improve their rate of success. Given enzymatic induction by tobacco smoke, smoking cessation can nevertheless have important consequences on the metabolism of some drugs, that have to be taken into consideration. Here we present different clinical and genetic aspects of smoking and of smoking cessation. A dose adjustment of drugs influenced by tobacco smoke is proposed when quitting smoking.

Exposition aéroportée aux endotoxines : caractérisation de la réponse inflammatoire et influence des facteurs génétiques

L'exposition aux endotoxines, notamment par voie intraveineuse, peut provoquer un syndrome de détresse respiratoire aigu, en raison des fortes réactions inflammatoires qu'elles initient. Paradoxalement, il a aussi été montré que l'exposition aux endotoxines pouvait avoir un rôle bénéfique sur les maladies de type allergique avec prédisposition génétique (atopie), notamment lorsque l'exposition a eu lieu pendant l'enfance. Les travailleurs du monde agricole peuvent être exposés à de très fortes quantités inhalables d'endotoxines, 100 à 10 000 fois plus que les quantités observées dans des habitations. Les études épidémiologiques ont montré que les travailleurs agricoles exposés avaient un risque élevé de développer des maladies respiratoires. Cependant, beaucoup de ces travailleurs ne présentent pas de réduction de leurs capacités respiratoires, ce qui suggère l'existence d'une grande variabilité de sensibilité entre les individus. Le rôle des facteurs génétiques dans l'apparition ou non de certains symptômes suite à une exposition aux endotoxines est mal connu, en milieu professionnel. C'est cette problématique qui est abordée dans le premier article proposé. Le second article concerne la caractérisation de la réponse inflammatoire aux particules aéroportées chez les travailleurs de stations d'épuration des eaux usées (STEP). Dans cet article, les auteurs ont utilisé une méthode relativement nouvelle pour mesurer les effets (l'activité) des endotoxines, entre autres, sur les personnes exposées. Cette nouvelle façon de caractériser l'exposition aux endotoxines, par le biais de la réponse physiologique est prometteuse. Auparavant, la grande majorité des études faites sur les liens entre l'exposition aux poussières organiques et/ou endotoxines et les symptômes médicaux utilisaient la métrologie aérienne pour estimer le risque pour la santé. Lorsque l'on sait que la réponse à ce type d'exposition dépend beaucoup de la susceptibilité individuelle des personnes (voir premier article discuté), l'utilisation d'une méthode qui permet d'estimer directement les effets de la nuisance sur les personnes semble être beaucoup plus pertinente même si sa mise en oeuvre est plus délicate à réaliser que la métrologie classique. [Auteurs]

Les tests génétiques peuvent-ils être utiles pour la prévention cardiovasculaire? [Are genetic tests useful for cardiovascular prevention?].

Recent progresses in genetics have opened new avenues to further our understanding of the pathophysiological mechanisms underlying cardiovascular disease, raising, new expectations in the field of personalized medicine. Genetic tests may have a high predictive value for rare monogenic diseases. The situation is very different for common polygenic diseases, such as myocardial infarction, type 2 diabetes or stroke. The results from recent genome-wide association studies have provided useful information for research, but have not yet been proven to be clinically useful. It is therefore currently not recommended to conducted genetic testing to guide cardiovascular prevention neither in clinical nor in public health settings.

Contribution des facteurs génétiques et non génétiques au niveau de vitamine D chez des individus infectés par le VIH

La vitamine D est connue pour son rôle dans le métabolisme osseux et dans des nombreux autres systèmes. La fréquence de carence en vitamine D est élevée dans la population générale, et elle est encore plus élevée chez les individus infectés par le VIH. Des nombreuses études ont recherché les facteurs qu'influencent la concentration plasmatique de 25(OH)D dans la population générale. Notre travail a pour but d'analyser la contribution des facteurs génétiques et non génétiques qu'influencent le niveau de 25(OH)D plasmatique chez des individus infectés par le VIH. La population de notre étude est constituée par 552 patients de la SHCS d'ethnie caucasienne et ayant eu au moins une mesure de la concentration plasmatique de 25(OH)D. Nous avons développé un modèle de pharmacocinétique des populations pour étudier la contribution de chaque facteur inclus dans nos analyses. Les facteurs analysés étaient: le sexe, l'âge, le poids, le BMI, la hauteur, la saison, le tabagisme et 7 SNPs associés au niveau de 25(OH)D identifiés par les études d'association pangénomique. Ces SNPs sont situés sur 4 gènes impliqués dans le métabolisme de la vitamine D. Nous observons dans cette population une prévalence élevée de carence en vitamine D: 78.8% des patients ont eu des taux de 25(OH)D insuffisants et 53.1% avaient une déficience de 25(OH)D. De plus, nous observons que le niveau plasmatique de 25(OH)D est associé de façon statistiquement significative avec: la période de l'année (p≈3.42x10−42), le BMI (p≈0.006), le tabagisme (p≈0.009) et le SNP rs2282679 (p≈0.0035). Ce dernier se trouve sur le gène GC, qui est responsable du codage pour la transcription de la DBP, protéine qui sert au transport des métabolites de la vitamine D dans le plasma. Ces éléments nous permettent d'expliquer 8% de la variabilité interindividuelle totale des taux de 25(OH)D retrouvée dans cette population. Une grande partie de la variabilité interindividuelle doit encore être expliquée, mais notre étude nous a permis, d'un côté de confirmer l'influence de certains facteurs identifiés dans la population générale sur une population spécifique qui est particulièrement à risque de développer une carence en vitamine D et, de l'autre côté d'examiner la contribution des polymorphismes génétiques au métabolisme de la vitamine D. Les efforts pour comprendre toujours davantage les causes de carence en vitamine D sont importants pour pouvoir identifier les individus plus à risque, de façon à prévenir et mieux prendre en charge une condition qui est source importante de morbidité et de mortalité et qui est facile à traiter.