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Safety critical engineering systems are becoming increasingly larger and more complex. One way of ensuring the dependability of such systems is via architectural redundancy and replication of components. Use of redundancy has its limitations though, as it can increase the size, weight and cost of a system beyond acceptable levels. An alternative approach to improving dependability is by designing the system with preventive maintenance (PM) in mind. A well articulated PM policy can reduce the occurrence of system failure, thereby improving dependability attributes such as safety, reliability and availability as well as cost. In a typical scenario, components of the system are maintained periodically at a fixed time interval (month, year, etc). This interval may vary from component to component and therefore the determination of an optimal PM schedule for all components in the system is non trivial. The options for maintenance are simply too many to exhaustively enumerate and evaluate, and therefore the choice of an optimal PM schedule that provide the best trade-offs between dependability and cost becomes a search and optimisation problem. It is precisely this problem that this thesis addresses. Firstly, the thesis investigates the effects of perfect and imperfect preventive maintenance policies on system reliability, availability and cost by establishing mathematical models for both policies. Secondly, a multi-objective optimisation approach is formulated for PM scheduling that takes into account dependability and cost, and finally the approach is evaluated on two case studies using a well-established semi-automated dependability analysis tool - HiP-HOPS. The approach allows automatic model transformation such as substitution of components as well as PM maintenance to be applied by Genetic Algorithms as mechanisms for automatically improving design and achieving trade-offs between dependability and cost. Results from case studies show that this approach can provide an effective tool for definition of PM schedules and lead to engineering and economic benefits.

Nous nous proposons dans ce travail de développer des modèles mathématiques pour étudier l'opportunité apportée par la période de garantie étendue pour les deux cas unidimensionnel et bidimensionnel aussi bien pour le consommateur que pour le fabricant du produit pour différentes situations. Nous exprimerons pour cela le coût total moyen encouru le long du cycle de vie du produit, ceci pour les deux points de vue : celui du consommateur et celui du fabriquant. Nous considèrerons également différentes options concernant les politiques de maintenance à adopter (faire de la maintenance préventive ou non) pour le produit durant les périodes suivantes : la période de garantie de base, la période de garantie étendue et la période post-garantie se terminant à la fin du cycle de vie du produit. Nous exprimerons pour cela le coût total moyen encouru le long du cycle de vie du produit pour les points de vue consommateur et fabricant. Pour tester les performances du modèle analytique, des calculs numériques ont été effectués afin de déterminer la zone de compromis pour la garantie étendue / In this study mathematical models are developed to study the opportunity provided by the extended warranty period for both two-dimensional and one-dimensional case for the consumer and the manufacturer of the product for different situations. We will express the total average cost incurred along the life cycle of the product, this to the two points of view: the consumer and the manufacturer. Also we will consider various options regarding maintenance policies to adopt (performing preventive maintenance or not) for the product during the following periods: the basic warranty period, the extended warranty period and post-warranty at the end of the life cycle of the product. We will express the total average cost incurred along the life cycle of the product for the consumer and the manufacturer. To test the performance of the analytical model, numerical calculations were performed to determine the area of compromise for the extended warranty

La construction montre un retard de productivité par rapport à l’industrie. Pour y remédier, le monde de la construction met en place le processus BIM (Building Information Modeling). Celui-ci repose sur l’utilisation d’une maquette numérique 3D, reproduction du bâtiment, contenant toutes les informations nécessaires à sa réalisation. Cependant, les ingénieurs ont remonté des difficultés dans l’utilisation du BIM. La maquette contient énormément d’éléments provenant de plusieurs intervenants. Le côté collaboratif de la réalisation d’un bâtiment n’est pas pris en considération, les éléments ne sont pas classés par corps de métier, tous les corps de métier travaillent sur la même maquette. Le processus BIM propose la même méthode de travail aux différents types de métiers de la construction. Cette thèse propose une méthodologie d’interaction adaptée aux maquettes numériques de bâtiments. Le but est d’offrir un environnement adapté à tout type de métier du bâtiment tout en respectant des procédés de conception actuelle. Ce travail propose une étude sur la visualisation des connaissances métiers ainsi qu’une interaction avec des dispositifs immersifs pour la construction. Dans un premier temps, ce manuscrit propose d’étudier la classification des divers éléments d’une maquette BIM en utilisant l’apprentissage automatique, assister la visualisation des données en utilisant les modèles de saillance et une interface reposant sur la collaboration. Dans un second temps, deux salles de réalité virtuelle dédiées à la construction seront décrites. Plusieurs applications immersives développées seront présentées. / The construction show a lack of efficiency to compare to other industries. This is explained by the insufficiency to computerize the design of building. In answer, the world of architecture set up a new process called BIM (Building Information Modeling). This process is based on a3D virtual mock up containing every information needed for the construction. During the implementation of this process, difficulties of interaction has been noted by the BIM users.BIM models are hard to observe and manage, explained by the fact that these models contain a large amount of information. Moreover, the collaborative idea of the BIM is not considered in the actual method. BIM process proposes the same scheme for all the construction profile. This thesis proposes an adapted methodology of interaction for the inspection of architectural projects, using artificial intelligence tools or more particularly virtual reality technologies. The purpose is to offer an adapted environment, considering the profile of each BIM user, while keeping the actual design method. Firstly, this document describes the creation of virtual reality rooms dedicated to the construction. Secondly, it deals with the development of algorithms allowing the classification of components from BIM model, an adaptive system of visualization and a process to handle the model. These development are based on the consideration of the profile of the user, the trade of the user.

Dans cette thèse, des stratégies de maintenance conditionnelle sont proposées pour les systèmes de production de biens et de services. Ces stratégies sont développées en tenant compte de la dégradation de l'environnement causée par la détérioration du système de production. Le système de production est sujet à une dégradation aléatoire qui affecte la qualité de l'environnement. Les modèles de maintenance proposés consistent à réduire la dégradation de l'environnement en contrôlant la détérioration du système. Pour contrôler la détérioration du système, des inspections sont effectuées à des dates précises. L'objectif est de déterminer les dates optimales d'inspection qui optimisent un critère de performance donné. Deux modèles mathématiques d'optimisation sont alors proposés dans cette thèse. Le premier modèle considère le coût total moyen par unité de temps, tandis que le deuxième modèle considère la disponibilité stationnaire du système. L'optimisation sous contrainte a été aussi étudiée où l'objectif est de minimiser le coût total moyen par unité de temps sous une contrainte de disponibilité stationnaire ou alors de maximiser la disponibilité stationnaire du système sous une contrainte de budget. Basé sur la méthode de Nelder-Mead, des algorithmes sont développés pour calculer les dates optimales d'inspection pour chaque critère d'optimisation. Des exemples numériques sont présentés pour montrer l'applicabilité des stratégies de maintenance conditionnelle proposées / In this thesis, condition-based maintenance strategies are proposed for production systems of goods and services. These strategies are developed while taking into account the environmental degradation caused by the deterioration of the production system. The system is subjected to random deterioration which impacts the environmental quality. The proposed maintenance models aim to assess the system deterioration in such a way to reduce the environmental degradation. To control this deterioration, inspections are performed on specific dates. The objective is to determine optimal inspection dates which optimize a given performance criterion. Two mathematical optimization models are then proposed in this thesis. The first model considers the average total cost per time unit, while the second model considers the stationary availability of the system. The constrained optimization has also been discussed in this work where the objective is to minimize the average total cost per time unit under an availability constraint or to maximize the stationary availability of the system under a budget constraint. On the basis of Nelder-Mead method, inspection dates as optimal solutions are computed for each optimization criterion. Numerical examples are provided to show the applicability of the proposed condition-based maintenance strategies

L'objectif de cette thèse est de développer des bio-capteurs à base de magnétorésistance géante (GMR), ainsi que l'électronique de conditionnement associée, en vue de caractériser magnétiquement des ferrofluides biologiques. Ce travail a été réalisé en collaboration avec le Pr Sotoshi YAMADA de l'Institut « Nature and Environmental Technology» de l'Université de Kanazawa. La première partie porte sur l'état de l'art et les méthodes de mesures des propriétés magnétiques des ferrofluides et la physique de l'effet GMR. La deuxième partie concerne la mise en place d'un dispositif de mesure pour déterminer et caractériser la valeur de la sensibilité de chaque capteur. Cette sensibilité est une caractéristique cruciale pour toute application biomédicale. Sa connaissance et son optimisation permettent d'envisager des mesures précises et justes des propriétés magnétiques des ferrofluides notamment à bas niveau de signal. La troisième partie, également expérimentale, décrit les mesures de la perméabilité relative (µr) et de la susceptibilité (X) de fluides magnétiques (ferrofluides) par des capteurs GMR I, II. En outre, afin de confirmer les résultats expérimentaux obtenus avec ces capteurs, nous les avons comparés à ceux obtenus avec d'autres méthodes comme la magnétométrie à échantillon vibrant (VSM) ou à des calculs théoriques. Le quatrième et dernier chapitre présente les résultats expérimentaux de la perméabilité relative et de la susceptibilité d'un marqueur magnétique permettant la détection de la bactérie pathogène Escherichia coli O157: H7 / The intent of this thesis is to develop bio-sensors based on giant magnetoresistance (GMR) and the associated conditioning electronics, to characterize magnetically organic ferrofluids. This work was done in collaboration with Pr Sotoshi YAMADA of the Institute "Nature and Environmental Technology" at the University of Kanazawa. The first part focuses on the state of the art and the methods for magnetic properties measurements of ferrofluids and the description of the GMR effect. The second part concerns the introduction of a measuring device to determine and characterize the value of the sensitivity of each sensor. This sensitivity is a crucial parameter for any biomedical application. Its knowledge allows optimization of sensors ability to measure very low magnetic parameters of ferrofluids very precisely. The third experimental part describes measurements of relative permeability (µr) and susceptibility (X) of magnetic ferrofluids with GMR sensors I, II. In addition, to confirm the experimental results obtained with these sensors, we have compared them to those obtained with other methods such as vibrating sample magnetometer (VSM) or by theoretical calculations. The fourth and last chapter presents the experimental results of the relative permeability and susceptibility of a magnetic marker used to detect pathogenic bacteria (Escherichia coli O157: H7)

Le sujet des travaux de recherche présenté dans cette thèse de doctorat concerne la conception et le développement d’une approche basée sur le traitement du signal et des images permettant de mesurer des signaux physiologiques d’une personne située à distance du capteur. Les différents procédés proposés dans ce travail cherchent à répondre à des besoins particuliers du domaine de l’e-santé, de la télémédecine et de l’informatique affective. Les mesures sans contact de paramètres physiologiques sont utilisables dans de nombreux champs d’application, allant des services d’urgence jusqu’aux sciences du sport, où le rythme cardiaque est surveillé pendant un effort physique intense. L’approche développée est basée sur le calcul des signaux photopléthysmographiques (PPG) obtenus sur des visages humains et enregistrés par une webcam. Ces derniers sont ensuite analysés par une transformée en ondelettes continue afin d’en extraire le rythme cardiaque et la fréquence respiratoire ainsi que la variabilité cardiaque. Des opérations de traitement du signal et des images ont été développées pour améliorer la robustesse du système en le rendant moins sensible aux mouvements et aux fluctuations de l’éclairage. La fréquence respiratoire est estimée à partir de la variabilité cardiaque par le phénomène d’arythmie sinusale respiratoire, la variation naturelle de la fréquence cardiaque entrainée par la respiration. Les phénomènes de vasoconstriction et vasodilatation qui modifient les amplitudes du signal PPG sont aussi détectées par la méthode que nous proposons dans ces travaux de thèse. Les performances du système ont été évaluées à partir d’un ensemble de capteurs standards en contact sur 12 individus en bonne santé qui ont participé aux expériences. Les résultats montrent que les mesures dérivées de la webcam et des capteurs en contact sont en étroite concordance. Le second volet de ces travaux de recherche concerne la reconnaissance du stress basée sur les données physiologiques quantifiées précédemment. La webcam est ici utilisée pour mesurer et estimer l’état de tension mentale d’une personne. Les amplitudes du signal PPG et la variabilité de la fréquence cardiaque reflètent l’état du système nerveux autonome et ont été utilisées pour calculer une courbe de stress. L’activité électrodermale a concurremment été mesurée par un capteur en contact pour évaluer la méthode que nous proposons. Une application a spécifiquement été développée en laboratoire pour successivement induire du stress et relaxer les participants. Les résultats indiquent que les mesures calculées à partir des données de la webcam sont en étroite corrélation avec l’activité électrodermale. La méthode présentée dans ces travaux permet de mesurer un ensemble de données physiologiques et estimer l’état de stress d’une personne à l’aide d’une webcam, fournissant ainsi une bonne alternative aux dispositifs conventionnels en contact / Photoplethysmographic (PPG) signals obtained from a webcam are analyzed through a continuous wavelet transform to assess the instantaneous pulse rate. The measurements are performed on human faces. Robust image and signal processing are introduced to collect only pixels that contain photoplethysmographic information and to remove major artifacts and trends on raw webcam PPG signals. The interbeat intervals are computed using a standard peak detection to form the instantaneous pulse rate. In addition, the respiration is recovered using the pulse rate series by respiratory sinus arrhythmia, the natural variation in pulse rate driven by the respiration. The amplitudes of the photoplethysmographic signal, which reflect relative changes in the vascular bed due to peripheral vasoconstriction or vasodilatation, are also measured. The presented algorithms are implemented on a mid-range computer and the overall method works in real-time. The performance of the proposed pulse and breathing rates assessment method was evaluated using approved contact probes on a set of 12 healthy subjects. Results show high degrees of correlation between physiological measurements even in the presence of motion. This work provides a motion-tolerant method that remotely measures the instantaneous pulse and breathing rates. Monitoring physiological signals via non-contact means presents a greater challenge in personal health care, telemedicine and affective computing. The second part of this thesis consists in assessing mental workload changes using the parameters assessed previously, i.e. the photoplethysmographic amplitude fluctuation and the pulse rate variability. These particular signals provide an estimation of the autonomic nervous system state. In order to validate the proposed method we have recorded, concurrently to the webcam curves, electrodermal activity during an interactive game that was developed to successively stress and relax the subject. We have specifically employed a computerized and interactive version of the STROOP color word test. The results exhibit a strong correlation between the webcam and contact skin conductance level traces and offer further support for the applicability of mental stress detection by remote and low-cost means, providing an alternative to conventional contact techniques

Dans le cadre de la conception et de la fabrication des produits industriels, on retrouve principalement les étapes de conception, fabrication et contrôle. Le concepteur défini un tolérancement fonctionnel des pièces en lien étroit avec les procédés de fabrication. L’étape du contrôle des pièces est alors l’étape primordiale permettant la validation du produit fabriqué vis-à-vis des besoins du concepteur. Le sujet de recherche se place dans une optique d’optimisation du processus de contrôle des pièces. Cette étude d’optimisation du processus de contrôle devra se faire à plusieurs niveaux : - Au niveau des coûts liés à l’opération de mesure : lorsqu’un opérateur définit sa gamme de contrôle, il valide si possible l’ensemble de la pièce sur un unique moyen de mesure, même si le moyen de mesure choisi n’est pas le plus adapté. Cette partie de l’étude concerne les concepts de capabilité des moyens de mesures, tant matériels que logiciels. Elle permettra de définir les limites de chaque appareil. L’analyse poussée de l’adéquation entre le tolérancement et les matériels de mesure permet également au contrôleur de définir une stratégie économique de mesure (temps, matériel, …). - Au niveau des innovations techniques à prendre en compte : l’utilisation couplée d’un logiciel de calcul par éléments finis : Abaqus (permettant de modéliser les déformations des pièces lors de leur conformation sur le montage de contrôle), et d’un logiciel de traitement du tolérancement : 3DCS (permettant de valider les effets des dispersions des moyens de contrôle sur le résultat de la mesure : incertitude de mesure). / As part of the design and manufacturing of industrial products, we mainly find the steps of design, manufacture and control. The designer choose functional tolerancing values and specification for a part closely with manufacturing processes. The step of the control of parts is then an essential stage of the validation of the product made with respect to the needs of the designer. The research subject is placed in order to optimize process control parts. This optimization should be done at several levels: - In terms of costs to the measurement process: when an operator sets its control methodology, he validates if possible the entire piece on a unique way to measure it, even if the measurement device selected is not the most appropriate. This part of the study concerns the concepts of capability of measuring devices and calculation methods. It will define the limits of each machine. The analysis of the adequacy between the tolerancing specifications and the measurement tools also allows the controller to define a strategy for economic measurement (time, equipment, ...). - In terms of technical innovations to be taken into account: we will use simultaneously a finite element software, (Abaqus, for modeling the deformations of parts during the control process) and a software for tolerances analysis, (3DCS, to validate the effects of the dispersions of the measurement device over the validity of the result of the measure : measurement uncertainty).