Méthodes rapides et efficaces pour la résolution numérique d'équations de type Hamilton-Jacobi avec application à la simulation de feux de forêt

Cette thèse est divisée en trois chapitres. Le premier explique comment utiliser la méthode «level-set» de manière rigoureuse pour faire la simulation de feux de forêt en utilisant comme modèle physique pour la propagation le modèle de l'ellipse de Richards. Le second présente un nouveau schéma semi-implicite avec une preuve de convergence pour la solution d'une équation de type Hamilton-Jacobi anisotrope. L'avantage principal de cette méthode est qu'elle permet de réutiliser des solutions à des problèmes «proches» pour accélérer le calcul. Une autre application de ce schéma est l'homogénéisation. Le troisième chapitre montre comment utiliser les méthodes numériques des deux premiers chapitres pour étudier l'influence de variations à petites échelles dans la vitesse du vent sur la propagation d'un feu de forêt à l'aide de la théorie de l'homogénéisation.

Simulations magnétohydrodynamiques en régime idéal

Cette thèse s’intéresse à la modélisation magnétohydrodynamique des écoulements de fluides conducteurs d’électricité multi-échelles en mettant l’emphase sur deux applications particulières de la physique solaire: la modélisation des mécanismes des variations de l’irradiance via la simulation de la dynamo globale et la reconnexion magnétique. Les variations de l’irradiance sur les périodes des jours, des mois et du cycle solaire de 11 ans sont très bien expliquées par le passage des régions actives à la surface du Soleil. Cependant, l’origine ultime des variations se déroulant sur les périodes décadales et multi-décadales demeure un sujet controversé. En particulier, une certaine école de pensée affirme qu’une partie de ces variations à long-terme doit provenir d’une modulation de la structure thermodynamique globale de l’étoile, et que les seuls effets de surface sont incapables d’expliquer la totalité des fluctuations. Nous présentons une simulation globale de la convection solaire produisant un cycle magnétique similaire en plusieurs aspects à celui du Soleil, dans laquelle le flux thermique convectif varie en phase avec l’ ́energie magnétique. La corrélation positive entre le flux convectif et l’énergie magnétique supporte donc l’idée qu’une modulation de la structure thermodynamique puisse contribuer aux variations à long-terme de l’irradiance. Nous analysons cette simulation dans le but d’identifier le mécanisme physique responsable de la corrélation en question et pour prédire de potentiels effets observationnels résultant de la modulation structurelle. La reconnexion magnétique est au coeur du mécanisme de plusieurs phénomènes de la physique solaire dont les éruptions et les éjections de masse, et pourrait expliquer les températures extrêmes caractérisant la couronne. Une correction aux trajectoires du schéma semi-Lagrangien classique est présentée, qui est basée sur la solution à une équation aux dérivées partielles nonlinéaire du second ordre: l’équation de Monge-Ampère. Celle-ci prévient l’intersection des trajectoires et assure la stabilité numérique des simulations de reconnexion magnétique pour un cas de magnéto-fluide relaxant vers un état d’équilibre.

Semi-similar solutions of the unsteady compressible second-order boundary layer flow at the stagnation point

Semi-similar solutions of the unsteady compressible laminar boundary layer flow over two-dimensional and axisymmetric bodies at the stagnation point with mass transfer are studied for all the second-order boundary layer effects when the free stream velocity varies arbitrarily with time. The set of partial differential equations governing the unsteady compressible second-order boundary layers representing all the effects are derived for the first time. These partial differential equations are solved numerically using an implicit finite-difference scheme. The results are obtained for two particular unsteady free stream velocity distributions: (a) an accelerating stream and (b) a fluctuating stream. It is observed that the total skin friction and heat transfer are strongly affected by the surface mass transfer and wall temperature. However, their variation with time is significant only for large times. The second-order boundary layer effects are found to be more pronounced in the case of no mass transfer or injection as compared to that for suction. Résumé Des solutions semi-similaires d'écoulement variable compressible de couche limite sur des corps bi-dimensionnels thermique, sont étudiées pour tous les effets de couche limite du second ordre, lorsque la vitesse de l'écoulement libre varie arbitrairement avec le temps. Le systéme d'équations aux dérivées partielles représentant tous les effets est écrit pour la premiére fois. On le résout numériquement á l'aide d'un schéma implicite aux différences finies. Les résultats sont obtenus pour deux cas de vitesse variable d'écoulement libre: (a) un écoulement accéléré et (b) un écoulement fluctuant. On observe que le frottement pariétal total et le transfert de chaleur sont fortement affectés par le transfert de masse et la température pariétaux. Néanmoins, leur variation avec le temps est sensible seulement pour des grandes durées. Les effets sont trouvés plus prononcés dans le cas de l'absence du transfert de masse ou de l'injection par rapport au cas de l'aspiration.

Schéma implicite pour la résolution d'un système hyperbolique d'équations aux dérivées partielles

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Schéma implicite pour la résolution d'un système hyperbolique d'équations aux dérivées partielles

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La participation citoyenne dans l'élaboration du schéma d'aménagement et de développement de la Ville de Sherbrooke

Le développement durable et la participation citoyenne sont deux termes très en vogue actuellement. Ils sont utilisés de bien des manières et même parfois de façon détournée. Néanmoins, il est de plus en plus fréquent de voir la participation citoyenne et le développement durable être associés. Cela provient du fait que pour les tenants de cette fusion, pour qu’il y ait développement durable il doit y avoir une forme de participation citoyenne. Ce lien théorique entre les deux concepts est vrai pour ses adhérents puisque ce doit être les citoyens impliqués dans le développement qui doivent guider en partie l’élaboration de la politique de développement durable. Les politiques d’urbanismes sont parmi les politiques les plus importantes pour créer un développement durable puisqu’elle combine à la fois le transport et l’aménagement du territoire selon une perspective économique, sociale et environnementale. De plus, ce sont les politiques d’urbanismes qui gèrent les milieux naturels. Pour Gauthier et Gagnon (2013) afin qu’une politique d’urbanisme durable émerge il doit y avoir une forme spécifique de participation citoyenne soit une participation citoyenne significative. Le Schéma d’aménagement et de développement de la Ville de Sherbrooke est en fait une politique d’urbanisme tendant vers le développement durable qui a inclus une démarche de participation citoyenne. Une grille d’analyse basée sur les travaux de M. Gauthier et de Mme Gagnon a permis de savoir si l'outil de participation citoyenne utilisée par la Ville de Sherbrooke dans le cadre de l’élaboration de son schéma d’aménagement et de développement adopté en 2013 a permis une participation citoyenne significative selon les huit critères établis par Mario Gauthier et Lynda Gagnon (2013)? Deux citoyens, une élue de la Ville, une fonctionnaire responsable du Schéma et trois représentants d’associations ont donné leurs perceptions dans des entrevues semi-dirigées afin de qualifier la participation citoyenne lors de l’élaboration du Schéma d’aménagement de la Ville. Les perceptions des participants n’ont pas permis de qualifier le processus participatif de la Ville. Il est donc impossible pour le chercheur de confirmer si la démarche de participation citoyenne est significative ou non. La Loi sur l’urbanisme et l’aménagement du Québec (LAU) a influencé de façon non significative la participation citoyenne lors de l’élaboration du Schéma. Il est clair que celle-ci a une influence en instituant de façon obligatoire la participation citoyenne lors de l’élaboration de Schéma d’aménagement et de développement des MRC, mais malgré les critères obligatoires de bases ce n’est pas la LAU qui a influencé de manière significative la participation citoyenne dans la forme analysée.

Semi-active control for structural vibration based on predictive algorithm [Chinese title = 基于预测算法的结构振动半主动控制]

Based on Newmark-β method, a structural vibration response is predicted. Through finding the appropriate control force parameters within certain ranges to optimize the objective function, the predictive control of the structural vibration is achieved. At the same time, the numerical simulation analysis of a two-storey frame structure with magneto-rheological (MR) dampers under earthquake records is carried out, and the parameter influence on structural vibration reduction is discussed. The results demonstrate that the semi-active control based on Newmark-β predictive algorithm is better than the classical control strategy based on full-state feedback control and has remarkable advantages of structural vibration reduction and control robustness.

Semi-analytic method of contact modelling

An algorithm to improve the accuracy and stability of rigid-body contact force calculation is presented. The algorithm uses a combination of analytic solutions and numerical methods to solve a spring-damper differential equation typical of a contact model. The solution method employs the recently proposed patch method, which especially suits the spring-damper differential equations. The resulting semi-analytic solution reduces the stiffness of the differential equations, while performing faster than conventional alternatives.

Semi-supervised intelligent surveillance system for secure environments

This paper proposes a semi-supervised intelligent visual surveillance system to exploit the information from multi-camera networks for the monitoring of people and vehicles. Modules are proposed to perform critical surveillance tasks including: the management and calibration of cameras within a multi-camera network; tracking of objects across multiple views; recognition of people utilising biometrics and in particular soft-biometrics; the monitoring of crowds; and activity recognition. Recent advances in these computer vision modules and capability gaps in surveillance technology are also highlighted.

Analysis of the build-up of semi and non volatile organic compounds on urban roads

Vehicular traffic in urban areas may adversely affect urban water quality through the build-up of traffic generated semi and non volatile organic compounds (SVOCs and NVOCs) on road surfaces. The characterisation of the build-up processes is the key to developing mitigation measures for the removal of such pollutants from urban stormwater. An in-depth analysis of the build-up of SVOCs and NVOCs was undertaken in the Gold Coast region in Australia. Principal Component Analysis (PCA) and Multicriteria Decision tools such as PROMETHEE and GAIA were employed to understand the SVOC and NVOC build-up under combined traffic scenarios of low, moderate, and high traffic in different land uses. It was found that congestion in the commercial areas and use of lubricants and motor oils in the industrial areas were the main sources of SVOCs and NVOCs on urban roads, respectively. The contribution from residential areas to the build-up of such pollutants was hardly noticeable. It was also revealed through this investigation that the target SVOCs and NVOCs were mainly attached to particulate fractions of 75 to 300 µm whilst the redistribution of coarse fractions due to vehicle activity mainly occurred in the >300 µm size range. Lastly, under combined traffic scenario, moderate traffic with average daily traffic ranging from 2300 to 5900 and average congestion of 0.47 was found to dominate SVOC and NVOC build-up on roads.

Modulation of depth-dependent properties in tissue-engineered cartilage with a semi-permeable membrane and perfusion : a continuum model of matrix metabolism and transport

The functional properties of cartilaginous tissues are determined predominantly by the content, distribution, and organization of proteoglycan and collagen in the extracellular matrix. Extracellular matrix accumulates in tissue-engineered cartilage constructs by metabolism and transport of matrix molecules, processes that are modulated by physical and chemical factors. Constructs incubated under free-swelling conditions with freely permeable or highly permeable membranes exhibit symmetric surface regions of soft tissue. The variation in tissue properties with depth from the surfaces suggests the hypothesis that the transport processes mediated by the boundary conditions govern the distribution of proteoglycan in such constructs. A continuum model (DiMicco and Sah in Transport Porus Med 50:57-73, 2003) was extended to test the effects of membrane permeability and perfusion on proteoglycan accumulation in tissue-engineered cartilage. The concentrations of soluble, bound, and degraded proteoglycan were analyzed as functions of time, space, and non-dimensional parameters for several experimental configurations. The results of the model suggest that the boundary condition at the membrane surface and the rate of perfusion, described by non-dimensional parameters, are important determinants of the pattern of proteoglycan accumulation. With perfusion, the proteoglycan profile is skewed, and decreases or increases in magnitude depending on the level of flow-based stimulation. Utilization of a semi-permeable membrane with or without unidirectional flow may lead to tissues with depth-increasing proteoglycan content, resembling native articular cartilage.

Maintenance strategy optimization using a continuous-state partially observable semi-Markov decision process

Due to the limitation of current condition monitoring technologies, the estimates of asset health states may contain some uncertainties. A maintenance strategy ignoring this uncertainty of asset health state can cause additional costs or downtime. The partially observable Markov decision process (POMDP) is a commonly used approach to derive optimal maintenance strategies when asset health inspections are imperfect. However, existing applications of the POMDP to maintenance decision-making largely adopt the discrete time and state assumptions. The discrete-time assumption requires the health state transitions and maintenance activities only happen at discrete epochs, which cannot model the failure time accurately and is not cost-effective. The discrete health state assumption, on the other hand, may not be elaborate enough to improve the effectiveness of maintenance. To address these limitations, this paper proposes a continuous state partially observable semi-Markov decision process (POSMDP). An algorithm that combines the Monte Carlo-based density projection method and the policy iteration is developed to solve the POSMDP. Different types of maintenance activities (i.e., inspections, replacement, and imperfect maintenance) are considered in this paper. The next maintenance action and the corresponding waiting durations are optimized jointly to minimize the long-run expected cost per unit time and availability. The result of simulation studies shows that the proposed maintenance optimization approach is more cost-effective than maintenance strategies derived by another two approximate methods, when regular inspection intervals are adopted. The simulation study also shows that the maintenance cost can be further reduced by developing maintenance strategies with state-dependent maintenance intervals using the POSMDP. In addition, during the simulation studies the proposed POSMDP shows the ability to adopt a cost-effective strategy structure when multiple types of maintenance activities are involved.

Learning the Kernel Matrix with Semi-Definite Programming

Kernel-based learning algorithms work by embedding the data into a Euclidean space, and then searching for linear relations among the embedded data points. The embedding is performed implicitly, by specifying the inner products between each pair of points in the embedding space. This information is contained in the so-called kernel matrix, a symmetric and positive definite matrix that encodes the relative positions of all points. Specifying this matrix amounts to specifying the geometry of the embedding space and inducing a notion of similarity in the input space -- classical model selection problems in machine learning. In this paper we show how the kernel matrix can be learned from data via semi-definite programming (SDP) techniques. When applied to a kernel matrix associated with both training and test data this gives a powerful transductive algorithm -- using the labelled part of the data one can learn an embedding also for the unlabelled part. The similarity between test points is inferred from training points and their labels. Importantly, these learning problems are convex, so we obtain a method for learning both the model class and the function without local minima. Furthermore, this approach leads directly to a convex method to learn the 2-norm soft margin parameter in support vector machines, solving another important open problem. Finally, the novel approach presented in the paper is supported by positive empirical results.

SwarmPS: Rapid, semi-automated single particle selection software

Single particle analysis (SPA) coupled with high-resolution electron cryo-microscopy is emerging as a powerful technique for the structure determination of membrane protein complexes and soluble macromolecular assemblies. Current estimates suggest that ∼104–105 particle projections are required to attain a 3 Å resolution 3D reconstruction (symmetry dependent). Selecting this number of molecular projections differing in size, shape and symmetry is a rate-limiting step for the automation of 3D image reconstruction. Here, we present SwarmPS, a feature rich GUI based software package to manage large scale, semi-automated particle picking projects. The software provides cross-correlation and edge-detection algorithms. Algorithm-specific parameters are transparently and automatically determined through user interaction with the image, rather than by trial and error. Other features include multiple image handling (∼102), local and global particle selection options, interactive image freezing, automatic particle centering, and full manual override to correct false positives and negatives. SwarmPS is user friendly, flexible, extensible, fast, and capable of exporting boxed out projection images, or particle coordinates, compatible with downstream image processing suites.