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.

Solution Methods for Service Network Design with Resource Management Consideration

La gestion des ressources, équipements, équipes de travail, et autres, devrait être prise en compte lors de la conception de tout plan réalisable pour le problème de conception de réseaux de services. Cependant, les travaux de recherche portant sur la gestion des ressources et la conception de réseaux de services restent limités. La présente thèse a pour objectif de combler cette lacune en faisant l’examen de problèmes de conception de réseaux de services prenant en compte la gestion des ressources. Pour ce faire, cette thèse se décline en trois études portant sur la conception de réseaux. La première étude considère le problème de capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints(DBCMND). La structure multi-produits avec capacité sur les arcs du DBCMND, de même que ses contraintes design-balance, font qu’il apparaît comme sous-problème dans de nombreux problèmes reliés à la conception de réseaux de services, d’où l’intérêt d’étudier le DBCMND dans le contexte de cette thèse. Nous proposons une nouvelle approche pour résoudre ce problème combinant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et une procédure d’intensification de la recherche dans une région particulière de l’espace de solutions. Dans un premier temps la recherche tabou identifie de bonnes solutions réalisables. Ensuite la recomposition de chemin est utilisée pour augmenter le nombre de solutions réalisables. Les solutions trouvées par ces deux méta-heuristiques permettent d’identifier un sous-ensemble d’arcs qui ont de bonnes chances d’avoir un statut ouvert ou fermé dans une solution optimale. Le statut de ces arcs est alors fixé selon la valeur qui prédomine dans les solutions trouvées préalablement. Enfin, nous utilisons la puissance d’un solveur de programmation mixte en nombres entiers pour intensifier la recherche sur le problème restreint par le statut fixé ouvert/fermé de certains arcs. Les tests montrent que cette approche est capable de trouver de bonnes solutions aux problèmes de grandes tailles dans des temps raisonnables. Cette recherche est publiée dans la revue scientifique Journal of heuristics. La deuxième étude introduit la gestion des ressources au niveau de la conception de réseaux de services en prenant en compte explicitement le nombre fini de véhicules utilisés à chaque terminal pour le transport de produits. Une approche de solution faisant appel au slope-scaling, la génération de colonnes et des heuristiques basées sur une formulation en cycles est ainsi proposée. La génération de colonnes résout une relaxation linéaire du problème de conception de réseaux, générant des colonnes qui sont ensuite utilisées par le slope-scaling. Le slope-scaling résout une approximation linéaire du problème de conception de réseaux, d’où l’utilisation d’une heuristique pour convertir les solutions obtenues par le slope-scaling en solutions réalisables pour le problème original. L’algorithme se termine avec une procédure de perturbation qui améliore les solutions réalisables. Les tests montrent que l’algorithme proposé est capable de trouver de bonnes solutions au problème de conception de réseaux de services avec un nombre fixe des ressources à chaque terminal. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue scientifique Transportation Science. La troisième étude élargie nos considérations sur la gestion des ressources en prenant en compte l’achat ou la location de nouvelles ressources de même que le repositionnement de ressources existantes. Nous faisons les hypothèses suivantes: une unité de ressource est nécessaire pour faire fonctionner un service, chaque ressource doit retourner à son terminal d’origine, il existe un nombre fixe de ressources à chaque terminal, et la longueur du circuit des ressources est limitée. Nous considérons les alternatives suivantes dans la gestion des ressources: 1) repositionnement de ressources entre les terminaux pour tenir compte des changements de la demande, 2) achat et/ou location de nouvelles ressources et leur distribution à différents terminaux, 3) externalisation de certains services. Nous présentons une formulation intégrée combinant les décisions reliées à la gestion des ressources avec les décisions reliées à la conception des réseaux de services. Nous présentons également une méthode de résolution matheuristique combinant le slope-scaling et la génération de colonnes. Nous discutons des performances de cette méthode de résolution, et nous faisons une analyse de l’impact de différentes décisions de gestion des ressources dans le contexte de la conception de réseaux de services. Cette étude sera présentée au XII International Symposium On Locational Decision, en conjonction avec XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. En résumé, trois études différentes sont considérées dans la présente thèse. La première porte sur une nouvelle méthode de solution pour le "capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints". Nous y proposons une matheuristique comprenant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et l’optimisation exacte. Dans la deuxième étude, nous présentons un nouveau modèle de conception de réseaux de services prenant en compte un nombre fini de ressources à chaque terminal. Nous y proposons une matheuristique avancée basée sur la formulation en cycles comprenant le slope-scaling, la génération de colonnes, des heuristiques et l’optimisation exacte. Enfin, nous étudions l’allocation des ressources dans la conception de réseaux de services en introduisant des formulations qui modèlent le repositionnement, l’acquisition et la location de ressources, et l’externalisation de certains services. À cet égard, un cadre de solution slope-scaling développé à partir d’une formulation en cycles est proposé. Ce dernier comporte la génération de colonnes et une heuristique. Les méthodes proposées dans ces trois études ont montré leur capacité à trouver de bonnes solutions.

Scaling Analysis of Solidification of Liquid Aluminum Alloy Flowing on Cooling Slope

Among all methods of metal alloy slurry preparation, the cooling slope method is the simplest in terms of design and process control. The method involves pouring of the melt from top, down an oblique and channel shaped plate cooled from bottom by counter flowing water. The melt, while flowing down, partially solidifies and forms columnar dendrites on plate wall. These dendrites are broken into equiaxed grains and are washed away with melt. The melt, together with the equiaxed grains, forms semisolid slurry collected at the slope exit and cast into billets having non-dendritic microstructure. The final microstructure depends on several process parameters such as slope angle, slope length, pouring superheat, and cooling rate. The present work involves scaling analysis of conservation equations of momentum, energy and species for the melt flow down a cooling slope. The main purpose of the scaling analysis is to obtain a physical insight into the role and relative importance of each parameter in influencing the final microstructure. For assessing the scaling analysis, the trends predicted by scaling are compared against corresponding numerical results using an enthalpy based solidification model with incorporation of solid phase movement.

Scaling of pressure spectrum in turbulent boundary layers

Scaling of pressure spectrum in zero-pressure-gradient turbulent boundary layers is discussed. Spatial DNS data of boundary layer at one time instant (Re-theta = 4500) are used for the analysis. It is observed that in the outer regions the pressure spectra tends towards the -7/3 law predicted by Kolmogorov's theory of small-scale turbulence. The slope in the pressure spectra varies from -1 close to the wall to a value close to -7/3 in the outer region. The streamwise velocity spectra also show a -5/3 trend in the outer region of the flow. The exercise carried out to study the amplitude modulation effect of the large scales on the smaller ones in the near-wall region reveals a strong modulation effect for the streamwise velocity, but not for the pressure fluctuations. The skewness of the pressure follows the same trend as the amplitude modulation coefficient, as is the case for the velocity. In the inner region, pressure spectra were seen to collapse better when normalized with the local Reynolds stress (-(u'v') over bar) than when scaled with the local turbulent kinetic energy (q(2) = (u'(2)) over bar + (v'(2)) over bar + (w'(2)) over bar)

Scaling relationships in conical indentation of elastic perfectly plastic solids

Using dimensional analysis and finite element calculations we derive several scaling relationships for conical indentation into elastic-perfectly plastic solids. These scaling relationships provide new insights into the shape of indentation curves and form the basis for understanding indentation measurements, including nano- and micro-indentation techniques. They are also helpful as a guide to numerical and finite element calculations of conical indentation problems. Finally, the scaling relationships are used to reveal the general relationships between hardness, contact area, initial unloading slope, and mechanical properties of solids.

Scaling approach to conical indentation in elastic-plastic solids with work hardening

We derive, using dimensional analysis and finite element calculations, several scaling relationships for conical indentation in elastic-plastic solids with work hardening. Using these scaling relationships, we examine the relationships between hardness, contact area, initial unloading slope, and mechanical properties of solids. The scaling relationships also provide new insights into the shape of indentation curves and form the basis for understanding indentation measurements, including nano- and micro-indentation techniques. They may also be helpful as a guide to numerical and finite element calculations of indentation problems.

Distribution and co-occurrence of rockfishes (family: Sebastidae) over trawlable shelf and slope habitats of California and southern Oregon

The rockfishes of the sebastid genus Sebastes are a very important fishery resource off the coasts of California and southern Oregon. How-ever, many of the 54 managed stocks of west coast rockfish have recently reached historically low population levels, leading fishery managers to re-examine current management practices. Management of rockfish stocks as multispecies aggregates, as opposed to independent stocks within the ground-fish fishery, can be more desirable when nontargeted bycatch, discard, and management complexity are considered. Rockfish assemblage structure and species co-occurrences were determined by using data from the Alaska Fisheries Science Center triennial continental shelf bottom trawl survey. The weight of rockfish species in trawl catches was expressed as a catch-per-unit-of-effort (CPUE) statistic, from which species spatial distributions, overlaps, diversity, and richness were analyzed. Multidimensional scaling of transformed CPUE data was employed in indirect gradient and multivariate partitioning analyses to quantify assemblage relationships. Results indicated that rockfish distributions closely match the bathymetry of coastal waters. Indirect gradient analysis suggested that depth and latitude are the principal factors in structuring the spatial distributions of rockfish on trawlable habitat. In addition, four assemblages were identified through the joint evaluation of species’ distributions and multivariate partitioning analyses: 1) deep-water slope; 2) northern shelf; 3) southern shelf; and 4) nearshore. The slope, shelf, and near-shore groups are found in depth ranges of 200–500 m, 100–250 m, and 50–150 m, respectively. The division of northern and southern shelf assemblages occurs over a broad area between Cape Mendocino and Monterey Canyon. The results of this analysis are likely to have direct application in the management of rockfish stocks off the coasts of southern Oregon and California.

Effect of gate dielectric scaling in nanometer scale vertical thin film transistors

A short channel vertical thin film transistor (VTFT) with 30 nm SiN x gate dielectric is reported for low voltage, high-resolution active matrix applications. The device demonstrates an ON/OFF current ratio as high as 10 9, leakage current in the fA range, and a sub-threshold slope steeper than 0.23 V/dec exhibiting a marked improvement with scaling of the gate dielectric thickness. © 2011 American Institute of Physics.

The influence of Langmuir turbulence on the scaling for the dissipation rate in the oceanic boundary layer

A model for estimating the turbulent kinetic energy dissipation rate in the oceanic boundary layer, based on insights from rapid-distortion theory, is presented and tested. This model provides a possible explanation for the very high dissipation levels found by numerous authors near the surface. It is conceived that turbulence, injected into the water by breaking waves, is subsequently amplified due to its distortion by the mean shear of the wind-induced current and straining by the Stokes drift of surface waves. The partition of the turbulent shear stress into a shear-induced part and a wave-induced part is taken into account. In this picture, dissipation enhancement results from the same mechanism responsible for Langmuir circulations. Apart from a dimensionless depth and an eddy turn-over time, the dimensionless dissipation rate depends on the wave slope and wave age, which may be encapsulated in the turbulent Langmuir number La_t. For large La_t, or any Lat but large depth, the dissipation rate tends to the usual surface layer scaling, whereas when Lat is small, it is strongly enhanced near the surface, growing asymptotically as ɛ ∝ La_t^{-2} when La_t → 0. Results from this model are compared with observations from the WAVES and SWADE data sets, assuming that this is the dominant dissipation mechanism acting in the ocean surface layer and statistical measures of the corresponding fit indicate a substantial improvement over previous theoretical models. Comparisons are also carried out against more recent measurements, showing good order-of-magnitude agreement, even when shallow-water effects are important.

The slippery slope - Critical perspectives on in vitro research methodologies

Objectives. This paper attempts to provide critical perspectives on common in vitro research methodologies, including shear bond testing, wear testing, and load-to-failure tests. Origins of interest in high-quality laboratory data is reviewed, in vitro data is categorized into property and simulation protocols, and two approaches are suggested for establishing clinical validity. It is hoped that these insights will encourage further progress toward development of in vitro tests that are validated against clinical performance and/or by producing clinically validated failure or damage mechanisms.Materials and methods. Published shear and tensile bond data (macro and micro) is examined in light of published finite element analyses (FEA). This data is subjected to a Weibull scaling analysis to ascertain whether scaling is consistent with failure from the bonded interface or not. Wear tests results are presented in light of the damage mechanism(s) operating. Quantitative wear data is re-examined as being dependent upon contact pressure. Load-to-failure test results are re-analyzed by calculating contact stresses at failure for 119 tests from 54 publications over more than 25 years.Results. FEA analyses and reported failure modes (adhesive, mixed, cohesive) are consistent with failure not involving interfacial "shear stresses" as calculated in published work. Weibull scaling clearly suggests failure involving external surfaces of specimens, not interfacial origins. Contact stresses (pressures) are clearly an important variable in wear testing and are not well-controlled in published work. Load-to-failure tests create damage not seen clinically due to excessively high contact stresses. Most contact stresses in the 119 tests examined were calculated to be between 1000 MPa and 5000 MPa, whereas clinical contact stresses at wear facets have been measured not to exceed 40 MPa.Conclusions. Our community can do a much better job of designing in vitro tests that more closely simulate clinical conditions, especially when contact is involved. Journals are encouraged to thoughtfully consider a ban on publishing papers using bond tests and load-to-failure methods that are seriously flawed and have no clinical relevance. (C) 2011 Academy of Dental Materials. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Tjon Lines and Scaling Limit in Four-Body Systems

The fixed-slope correlation between tetramer and trimer binding energies, observed by Tjon in the context of nuclear physics, is mainly a manifestation of the dominance of the two-nucleon force in the nuclear potential, which makes the four-body scale on the order of the three-body one. In a more general four-boson case, the correlation between tetramer and trimer binding energies has a non-fixed slope, which expresses the dependence on the new scale. The associated scaling function generates a family of Tjon lines. This conclusion relies on a recent study with weakly-bound four identical bosons, within a renormalized zero-range Faddeev-Yakubovsky formalism. © 2012 Springer-Verlag.

Convergence towards asymptotic state in 1-D mappings: a scaling investigation

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Scaling relations between trabecular bone volume fraction and microstructure at different skeletal sites

In this study, we investigated the scaling relations between trabecular bone volume fraction (BV/TV) and parameters of the trabecular microstructure at different skeletal sites. Cylindrical bone samples with a diameter of 8mm were harvested from different skeletal sites of 154 human donors in vitro: 87 from the distal radius, 59/69 from the thoracic/lumbar spine, 51 from the femoral neck, and 83 from the greater trochanter. μCT images were obtained with an isotropic spatial resolution of 26μm. BV/TV and trabecular microstructure parameters (TbN, TbTh, TbSp, scaling indices (< > and σ of α and αz), and Minkowski Functionals (Surface, Curvature, Euler)) were computed for each sample. The regression coefficient β was determined for each skeletal site as the slope of a linear fit in the double-logarithmic representations of the correlations of BV/TV versus the respective microstructure parameter. Statistically significant correlation coefficients ranging from r=0.36 to r=0.97 were observed for BV/TV versus microstructure parameters, except for Curvature and Euler. The regression coefficients β were 0.19 to 0.23 (TbN), 0.21 to 0.30 (TbTh), −0.28 to −0.24 (TbSp), 0.58 to 0.71 (Surface) and 0.12 to 0.16 (<α>), 0.07 to 0.11 (<αz>), −0.44 to −0.30 (σ(α)), and −0.39 to −0.14 (σ(αz)) at the different skeletal sites. The 95% confidence intervals of β overlapped for almost all microstructure parameters at the different skeletal sites. The scaling relations were independent of vertebral fracture status and similar for subjects aged 60–69, 70–79, and >79years. In conclusion, the bone volume fraction–microstructure scaling relations showed a rather universal character.

Topological invariance and spatial scaling of surface roughness in two highly eroded zones of Mexico: a comparative study

The Fractal Image Informatics toolbox (Oleschko et al., 2008 a; Torres-Argüelles et al., 2010) was applied to extract, classify and model the topological structure and dynamics of surface roughness in two highly eroded catchments of Mexico. Both areas are affected by gully erosion (Sidorchuk, 2005) and characterized by avalanche-like matter transport. Five contrasting morphological patterns were distinguished across the slope of the bare eroded surface of Faeozem (Queretaro State) while only one (apparently independent on the slope) roughness pattern was documented for Andosol (Michoacan State). We called these patterns ?the roughness clusters? and compared them in terms of metrizability, continuity, compactness, topological connectedness (global and local) and invariance, separability, and degree of ramification (Weyl, 1937). All mentioned topological measurands were correlated with the variance, skewness and kurtosis of the gray-level distribution of digital images. The morphology0 spatial dynamics of roughness clusters was measured and mapped with high precision in terms of fractal descriptors. The Hurst exponent was especially suitable to distinguish between the structure of ?turtle shell? and ?ramification? patterns (sediment producing zone A of the slope); as well as ?honeycomb? (sediment transport zone B) and ?dinosaur steps? and ?corals? (sediment deposition zone C) roughness clusters. Some other structural attributes of studied patterns were also statistically different and correlated with the variance, skewness and kurtosis of gray distribution of multiscale digital images. The scale invariance of classified roughness patterns was documented inside the range of five image resolutions. We conjectured that the geometrization of erosion patterns in terms of roughness clustering might benefit the most semi-quantitative models developed for erosion and sediment yield assessments (de Vente and Poesen, 2005).