La détection de la similarité ou de la différence entre les images et leur mise en correspondance sont des problèmes fondamentaux dans le traitement de l'image. Pour résoudre ces problèmes, on utilise, dans la littérature, différents algorithmes d'appariement. Malgré leur nouveauté, ces algorithmes sont pour la plupart inefficaces et ne peuvent pas fonctionner correctement dans les situations d’images bruitées. Dans ce mémoire, nous résolvons la plupart des problèmes de ces méthodes en utilisant un algorithme fiable pour segmenter la carte des contours image, appelée carte des CCPs, et une nouvelle méthode d'appariement. Dans notre algorithme, nous utilisons un descripteur local qui est rapide à calculer, est invariant aux transformations affines et est fiable pour des objets non rigides et des situations d’occultation. Après avoir trouvé le meilleur appariement pour chaque contour, nous devons vérifier si ces derniers sont correctement appariés. Pour ce faire, nous utilisons l'approche « Weighted Graph Transformation Matching » (WGTM), qui est capable d'éliminer les appariements aberrants en fonction de leur proximité et de leurs relations géométriques. WGTM fonctionne correctement pour les objets à la fois rigides et non rigides et est robuste aux distorsions importantes. Pour évaluer notre méthode, le jeu de données ETHZ comportant cinq classes différentes d'objets (bouteilles, cygnes, tasses, girafes, logos Apple) est utilisé. Enfin, notre méthode est comparée à plusieurs méthodes célèbres proposées par d'autres chercheurs dans la littérature. Bien que notre méthode donne un résultat comparable à celui des méthodes de référence en termes du rappel et de la précision de localisation des frontières, elle améliore significativement la précision moyenne pour toutes les catégories du jeu de données ETHZ. / Matching and detecting similarity or dissimilarity between images is a fundamental problem in image processing. Different matching algorithms are used in literature to solve this fundamental problem. Despite their novelty, these algorithms are mostly inefficient and cannot perform properly in noisy situations. In this thesis, we solve most of the problems of previous methods by using a reliable algorithm for segmenting image contour map, called CCP Map, and a new matching method. In our algorithm, we use a local shape descriptor that is very fast, invariant to affine transform, and robust for dealing with non-rigid objects and occlusion. After finding the best match for the contours, we need to verify if they are correctly matched. For this matter, we use the Weighted Graph Transformation Matching (WGTM) approach, which is capable of removing outliers based on their adjacency and geometrical relationships. WGTM works properly for both rigid and non-rigid objects and is robust to high order distortions. For evaluating our method, the ETHZ dataset including five diverse classes of objects (bottles, swans, mugs, giraffes, apple-logos) is used. Finally, our method is compared to several famous methods proposed by other researchers in the literature. While our method shows a comparable result to other benchmarks in terms of recall and the precision of boundary localization, it significantly improves the average precision for all of the categories in the ETHZ dataset.

D’importants progès ont été réalisés dans le développement des systèmes biomédicaux implantables grâce aux dernières avancées de la microélectronique et des technologies sans fil. Néanmoins, ces appareils restent difficiles à commercialier. Cette situation est due particulièrement à un manque de stratégies de design capable supporter les fonctionnalités exigées, aux limites de miniaturisation, ainsi qu’au manque d’interface sans fil à haut débit fiable et faible puissance capable de connecter les implants et les périphériques externes. Le nombre de sites de stimulation et/ou d’électrodes d’enregistrement retrouvés dans les dernières interfaces cerveau-ordinateur (IMC) ne cesse de croître afin d’augmenter la précision de contrôle, et d’améliorer notre compréhension des fonctions cérébrales. Ce nombre est appelé à atteindre un millier de site à court terme, ce qui exige des débits de données atteingnant facilement les 500 Mbps. Ceci étant dit, ces travaux visent à élaborer de nouvelles stratégies innovantes de conception de dispositifs biomédicaux implantables afin de repousser les limites mentionnées ci-dessus. On présente de nouvelles techniques faible puissance beaucoup plus performantes pour le transfert d’énergie et de données sans fil à haut débit ainsi que l’analyse et la réalisation de ces dernières grâce à des prototypes microélectroniques CMOS. Dans un premier temps, ces travaux exposent notre nouvelle structure multibobine inductive à résonance présentant une puissance sans fil distribuée uniformément pour alimenter des systèmes miniatures d’étude du cerveaux avec des models animaux en ilberté ainsi que des dispositifs médicaux implantbles sans fil qui se caractérisent par une capacité de positionnement libre. La structure propose un lien de résonance multibobines inductive, dont le résonateur principal est constitué d’une multitude de résonateurs identiques disposés dans une matrice de bobines carrées. Ces dernières sont connectées en parallèle afin de réaliser des surfaces de puissance (2D) ainsi qu’une chambre d’alimentation (3D). La chambre proposée utilise deux matrices de résonateurs de base, mises face à face et connectés en parallèle afin d’obtenir une distribution d’énergie uniforme en 3D. Chaque surface comprend neuf bobines superposées, connectées en parallèle et réailsées sur une carte de circuit imprimé deux couches FR4. La chambre dispose d’un mécanisme naturel de localisation de puissance qui facilite sa mise en oeuvre et son fonctionnement. En procédant ainsi, nous évitons la nécessité d’une détection active de l’emplacement de la charge et le contrôle d’alimentation. Notre approche permet à cette surface d’alimentation unique de fournir une efficacité de transfert de puissance (PTE) de 69% et une puissance délivrée à la charge (PDL) de 120 mW, pour une distance de séparation de 4 cm, tandis que le prototype de chambre complet fournit un PTE uniforme de 59% et un PDL de 100 mW en 3D, partout à l’intérieur de la chambre avec un volume de chambre de 27 × 27 × 16 cm3. Une étape critique avant d’utiliser un dispositif implantable chez les humains consiste à vérifier ses fonctionnalités sur des sujets animaux. Par conséquent, la chambre d’énergie sans fil conçue sera utilisée afin de caractériser les performances d’ une interface sans fil de transmisison de données dans un environnement réaliste in vivo avec positionement libre. Un émetteur-récepteur full-duplex (FDT) entièrement intégré qui se caractérise par sa faible puissance est conçu pour réaliser une interfaces bi-directionnelles (stimulation et enregistrement) avec des débits asymétriques: des taux de tramnsmission plus élevés sont nécessaires pour l’enregistrement électrophysiologique multicanal (signaux de liaison montante) alors que les taux moins élevés sont utilisés pour la stimulation (les signaux de liaison descendante). L’émetteur (TX) et le récepteur (RX) se partagent une seule antenne afin de réduire la taille de l’implant. L’émetteur utilise la radio ultra-large bande par impulsions (IR-UWB) basée sur l’approche edge combining et le RX utilise la bande ISM (Industrielle, Scientifique et Médicale) de fréquence central 2.4 GHz et la modulation on-off-keying (OOK). Une bonne isolation (> 20 dB) est obtenue entre le TX et le RX grâce à 1) la mise en forme les impulsions émises dans le spectre UWB non réglementée (3.1-7 GHz), et 2) le filtrage espace-efficace (évitant l’utilisation d’un circulateur ou d’un diplexeur) du spectre du lien de communication descendant directement au niveau de l’ amplificateur à faible bruit (LNA). L’émetteur UWB 3.1-7 GHz utilise un e modultion OOK ainsi qu’une modulation par déplacement de phase (BPSK) à seulement 10.8 pJ / bits. Le FDT proposé permet d’atteindre 500 Mbps de débit de données en lien montant et 100 Mbps de débit de données de lien descendant. Il est entièrement intégré dans un procédé TSMC CMOS 0.18 um standard et possède une taille totale de 0.8 mm2. La consommation totale d’énergie mesurée est de 10.4 mW (5 mW pour RX et 5.4 mW pour TX au taux de 500 Mbps). / In recent years, there has been major progress on implantable biomedical systems that support most of the functionalities of wireless implantable devices. Nevertheless, these devices remain mostly restricted to be commercialized, in part due to weakness of a straightforward design to support the required functionalities, limitation on miniaturization, and lack of a reliable low-power high data rate interface between implants and external devices. This research provides novel strategies on the design of implantable biomedical devices that addresses these limitations by presenting analysis and techniques for wireless power transfer and efficient data transfer. The first part of this research includes our proposed novel resonance-based multicoil inductive power link structure with uniform power distribution to wirelessly power up smart animal research systems and implanted medical devices with high power efficiency and free positioning capability. The proposed structure consists of a multicoil resonance inductive link, which primary resonator array is made of several identical resonators enclosed in a scalable array of overlapping square coils that are connected in parallel and arranged in power surface (2D) and power chamber (3D) configurations. The proposed chamber uses two arrays of primary resonators, facing each other, and connected in parallel to achieve uniform power distribution in 3D. Each surface includes 9 overlapped coils connected in parallel and implemented into two layers of FR4 printed circuit board. The chamber features a natural power localization mechanism, which simplifies its implementation and eases its operation by avoiding the need for active detection of the load location and power control mechanisms. A single power surface based on the proposed approach can provide a power transfer efficiency (PTE) of 69% and a power delivered to the load (PDL) of 120 mW, for a separation distance of 4 cm, whereas the complete chamber prototype provides a uniform PTE of 59% and a PDL of 100 mW in 3D, everywhere inside the chamber with a chamber size of 27×27×16 cm3. The second part of this research includes our proposed novel, fully-integrated, low-power fullduplex transceiver (FDT) to support bi-directional neural interfacing applications (stimulating and recording) with asymmetric data rates: higher rates are required for recording (uplink signals) than stimulation (downlink signals). The transmitter (TX) and receiver (RX) share a single antenna to reduce implant size. The TX uses impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) based on an edge combining approach, and the RX uses a novel 2.4-GHz on-off keying (OOK) receiver. Proper isolation (> 20 dB) between the TX and RX path is implemented 1) by shaping the transmitted pulses to fall within the unregulated UWB spectrum (3.1-7 GHz), and 2) by space-efficient filtering (avoiding a circulator or diplexer) of the downlink OOK spectrum in the RX low-noise amplifier (LNA). The UWB 3.1-7 GHz transmitter using OOK and binary phase shift keying (BPSK) modulations at only 10.8 pJ/bit. The proposed FDT provides dual band 500 Mbps TX uplink data rate and 100 Mbps RX downlink data rate. It is fully integrated on standard TSMC 0.18 nm CMOS within a total size of 0.8 mm2. The total power consumption measured 10.4 mW (5 mW for RX and 5.4 mW for TX at the rate of 500 Mbps).

Dans ce mémoire, nous proposons des améliorations à une méthode existante de dé- tection d'objets de forme inconnue à partir de primitives simples. Premièrement, avec un algorithme adaptatif, nous éliminons les cas où on n'obtenait aucun résultat avec certaines images en retirant la plupart des seuils fixes, ce qui assure un certain nombre de groupes de primitives à chaque étape. Ensuite, l'ajout de certaines optimisations et d'une version parallèle de la méthode permettent de rendre le temps d'exécution raisonnable pour ce nouvel algorithme. Nous abordons ensuite le problème des solutions trop semblables en ajoutant une nouvelle étape de structuration qui réduira leur nombre sans en affecter la variété grâce au regroupement hiérarchique. Finalement, nous ajustons certains paramètres et des résultats sont produits avec trois ensembles de 10 images. Nous réussissons à prouver de manière objective que les résultats obtenus sont meilleurs qu'avec la méthode précédente. / In this thesis, we propose improvements to an existing unknown shape object detection method that uses simple primitives. Firstly, we eliminate cases where no results were obtained with some images using an adaptive algorithm by removing most of the fixed thresholds, assuring a certain number of primitive groups at each step. Secondly, adding some optimizations and a parallel version of the algorithm make the running time of this new algorithm reasonable. Thirdly, we approach the problem of the redundant solutions by adding a new structuring step that will reduce their number without affecting their variety using hierarchical clustering. Finally, we adjust some parameters and results are produced using three sets of 10 images. We prove in an objective manner that the obtained results are better than those of the previous method.

Les chambres de réverbération, originellement conçues pour la compatibilité électromagnétique, connaissent un nouvel essor depuis quelques années. Elles sont de plus en plus utilisées pour simuler des canaux de communication. L'objectif fondamental de ce travail de recherche est la conception et la fabrication d 'une chambre de réverbération de faible encombrement pour récréer de manière physique des canaux de communi~ation à partir de 800 MHz. Un tel dispositif est un atout précieux pour l'étude et le développement de systèmes de communication mobiles, car il permet dans un laboratoire de confronter le système de communication à des conditions comparables aux conditions réelles et facilement reproductibles. L'utilisation d 'une chambre de réverbération permet de s'affranchir des défauts des générateurs de canaux électroniques dont le débit est souvent limité et dont le caractère aléatoire est souvent très discutable. La chambre de réverbération devient donc un outil de choix pour le développement de systèmes mobiles à haut débit. Ce mémoire présente succinctement les canaux de communications multitrajets et les chambres de réverbération et aborde la conception de notre chambre de réverbération à travers des considérations théoriques et des simulations numériques. Finalement les performances de notre chambre de réverbération sont présentées et analysées.

L’estimation de l’état fonctionnel de l’opérateur (c’est-à-dire le patron multidimensionnel de conditions physiologiques et comportementales qui régule les performances) a un grand potentiel pour l’augmentation de la sécurité et de la fiabilité de systèmes critiques. L’apprentissage automatique, qui a connu des avancées importantes au cours des dernières années, est une avenue à explorer pour effectuer cette estimation. Une problématique dans l’utilisation de ces techniques est la formalisation de l’OFS en une mesure objective permettant de fournir un signal d’entraînement à l’apprentissage automatique. Ce mémoire présente une mesure, la performance dynamique décontextualisée, permettant d’utiliser ces techniques pour estimer l’état fonctionnel de plusieurs participants, pour plusieurs tâches expérimentales différentes. Cet ouvrage explore également les performances obtenues par plusieurs techniques d’apprentissage automatique dans divers contextes. Entre autres, la généralisation des modèles entraînés à de nouveaux participants ou de nouvelles tâches expérimentales et l’utilisation du contexte expérimental sont étudiées. / The assessment of an operator’s functional state (i.e., the multidimensional pattern of human psycho-physiological conditions that mediates performance) has great potential for increasing safety and reliability of critical systems. Machine learning, which has had success in recent years, is a technique which should be investigated for this task. An open question in the use of machine learning algorithms for the assessment of the operator’s functional state is the formalization of the operator’s state in an objective measure that can provide a training signal for the algorithms. This Master’s thesis introduces the decontextualized dynamic performance, a measure which enables the use of machine learning for many experimental tasks and many participants simultaneously.This work also explores the performances obtained by machine learning techniques in some contexts. The generalization of the trained models to new participants, or new tasks as well as the utilization of the training context is investigated.

Ce mémoire a pour but de comparer deux méthodes de contrôle non destructif : la thermographie modulée et la thermographie puisée, l'étude a été faite sur différents échantillons utilisés dans la construction aéronautique et est présentée sous forme de comparaison quantitative et qualitative, avec une explication des avantages et des inconvénients de chaque méthode.

Ce mémoire présente une étude sur la simulation en temps réel des réseaux électriques comportant des convertisseurs électronique de puissance, en utilisant deux pas de calcul différents. L'impact du double pas de calcul sur la précision de la simulation est d'abord étudié à l'aide de SimPowerSystems (MATLAB) puis validé en temps différé avec Hypersim, le logiciel de simulation temps réel d'Hydro-Québec. L'impact est étudié par l'observation des formes d'onde, par l'analyse harmonique, ainsi que par les mesures de puissance au point de découplage, entre les deux parties du réseau. La méthode de simulation à double pas de calcul pourrait être implantée, en temps réel, par l'utilisation d'une unité de calcul rapide dans Hypersim. La technologie FPGA « Field Programmable Gate Array » est considérée pour remplir cette fonction et ses caractéristiques sont passées en revue.

"Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Télécom ParisTech, Paris, France" / L’échange d’informations est devenu une question de première importance et les systèmes optiques leur réponse. En effet, ils permettent de proposer des liens de communication pouvant contenir un flux toujours grandissant de données. Si le développement des liaisons intercontinentales reste au centre de toutes les attentions, la question de la connexion de réseaux plus modestes n’est pas à négliger, tant les notions de centre de données ou de stockage sur le « nuage » prennent de l’ampleur. En particulier, la longueur du lien de transmission joue un rôle central dans la question du coût énergétique. En effet, si pour couvrir de grandes distances, les réseaux optiques doivent se munir de structures robustes, capables de juguler ce flot, les liens courte distance peuvent quant à eux se dispenser de ces éléments onéreux. Pour répondre à ces besoins, cette thèse aborde la problématique des diodes lasers à modulation directe (DML) lesquelles figurent parmi les concurrents les plus incontournables pour les liens courte distance. Ces émetteurs de petite taille brillent notamment par leur faible coût ainsi que par leur facilité d’implémentation dans une chaine de transmission optique et une consommation énergétique - par bits transmis – plus faible que les transmetteurs exploitant la modulation externe. Néanmoins, la modulation directe de la lumière impacte fortement la bande passante de transmission et par conséquent le débit binaire maximal atteignable. Dans cette thèse, nous proposons d’explorer de nouvelles architectures de DMLs à capacité de transmission augmentée compatibles avec des débits supérieurs à 50 Gbps. Dans ce but, deux axes d’étude ont été privilégiés. Le premier repose sur une nouvelle structure DML exploitant des effets non-linéaires combinés comme le levier de gain et l’injection optique. Les simulations révèlent d’excellents résultats avec des bandes passantes prometteuses > 85 GHz et un diagramme de l’œil toujours ouvert à 40 Gbps. De plus, il est démontré que l’utilisation conjointe du levier de gain et de l’injection optique renforce la résistance aux phénomènes de compression du gain et de dérive de fréquence (chirp) garantissant ainsi une utilisation stable du DML dans un système de transmission. Le deuxième axe de la thèse se polarise sur l’étude de transmetteurs dont le volume de cavité se rapproche de la limite de diffraction. Les résultats montrent que le contrôle de l’émission spontanée est un élément vital pour diminuer substantiellement les puissances consommées tout en conservant une bonne dynamique de modulation. Le seuil optique étant atteint avant que le milieu ne soit totalement inversé (seuil électrique), les niveaux de courants de polarisation utilisés sont très faibles, typiquement <1 mA. Pour des dimensions de cavités proches de celles des structures verticales à émission par la surface (VCSELs), des bandes passantes de plus de 60 GHz sont obtenues. En transmission, les mésolasers apparaîssent comme les meilleurs candidats pour la modulation directe avec des diagrammes de l’œil permettant une décision à plus de 50 Gbps pour un courant de 6 mA. Lorsque le volume de cavité devient inférieur à la limite de diffraction (nanolaser), l’émetteur optique ne permet plus de conserver une dynamique de modulation efficace et une transmission compétitive. Couplés aux techniques de traitement de signal déjà employées pour la modulation directe, ce travail montre que les nouveaux composants DML susmentionnés possèdent des capacités d’opération exaltées (> 50 Gbps) ce qui en font d’excellents candidats pour les liens courte distance. / Development of ultrafast chips operating at speeds exceeding 100 Gbps is of paramount importance for increasing the transmission capacity of fiber-based networks, directly impacting G5 wireless networks, internet, local area networks, metropolitan area networks, and long-haul backbones, thus bringing closer the concept of networked society. Although complex modulation formats combined with digital signal post-processing are usually preferred to reach ultra-high modulation bandwidth, the long latency introduced by electronic processing results in a severe communication bottleneck. To this end, direct-detection systems implemented with directly modulated semiconductor lasers remain promising candidates as sources of high-speed intensity modulated signals thanks to their low-cost, well-established fabrication, compactness and most importantly their low energy consumption - by transmitted bits – much lower than transmitters using external modulation of light. In order to improve the performance and capacity of optical networks, it is necessary to enhance the modulation efficiency and 3-dB electro-optical bandwidth of optical transmitters without increasing their intensity noise and inducing excessive frequency chirp as well as intrinsic parasitic effects driven by nonlinear gain suppression or carrier transport delay. In order to improve the modulation characteristics, this PhD thesis explores new architectures of directly modulated lasers with increased transmission capacities compatible with high-speed operations at 50 Gbps and beyond. For this purpose, we first study a new DML exploiting combined non-linear effects such as gain lever and optical injection. Simulations reveal excellent results with promising bandwidths> 85 GHz and an eye diagram still open at 40 Gbps. In addition, it is demonstrated that the joint use of the gain lever and the optical injection greatly enhances the resistance to the gain compression and strongly lowers the frequency chirping making such a DML highly robust in a transmission system environment. The second axis of the thesis is focused on the modulation dynamics of optical transmitters whose cavity volume is closer to the diffraction limit. In such lasers in which the spontaneous emission rate is strongly enhanced, the optical threshold occurs before themedium is totally inverted (electrical threshold e.g. clamping condition). As a consequence, simulations show that nanolasers with cavity volumes below the diffraction limit can operate with extremely low injected currents (<<1 mA) which is desirable for reducing power consumption however without great performance at high-speeds. On the contrary, mesolasers with cavity sizes similar to that of surface-emitting vertical structures (VCSELs) are found to be the best candidates for high-speed operation with 3-dB electro-optics bandwidths as large as 60 GHz and an eye diagram allowing a decision at 50 Gbps for a current of 6 mA. Coupled with the signal processing techniques already employed for direct modulation, this work shows that the aforementioned directly modulated lasers have exalted operating capabilities (>50 Gbps) making them excellent candidates for short-reach communications.

Les réseaux électriques sont sujets aux aléas divers pouvant éventuellement mettre en péril leur sûreté. Des évènements résultants de l’aléa météorologique ou de la défaillance stochastique des composants du réseau tels qu’une fluctuation de températures hors saison ou la perte d’une unité de production, peuvent causer des déséquilibres inattendus entre l’offre et la demande et entraîner des délestages. Pour faire face à ces aléas, des marges de puissance ou "réserve" sont ménagées par rapport au strict équilibrage de l’offre et de la demande prévisionnelle. Cependant, déterminer la quantité de réserve suffisante pour une opération fiable et rentable est un problème difficile à résoudre, particulièrement en présence d’incertitude croissante due à la libéralisation du marché de l’électricité et à la pénétration à grande échelle des éoliennes sur le réseau. L’approche déterministe considère un niveau de réserve statique du jour pour le lendemain. L’énergie éolienne étant faiblement prévisible, de la réserve supplémentaire est requise pour pallier l’intermittence du vent. Parce que les éoliennes ne sont pas distribuables, les générateurs conventionnels ont été laissés sous pression en répondant aux variations larges et rapides de la charge nette du réseau. Étant données les contraintes de rampe qui limitent leur flexibilité, le bon fonctionnement du marché de l’électricité peut être altéré parce que les transactions d’énergie qui y sont contractées risquent de ne pas être réalisées en temps réel comme convenu pour des raisons de sécurité. Dans ce contexte, l’utilisation de l’approche déterministe à elle seule comme c’est le cas aujourd’hui, pourrait ne pas être économique ou fiable pour contenir les risques encourus; d’où la nécessité des méthodes sophistiquées basées sur une représentation plus complexe de l’incertitude. Cette thèse propose des solutions viables et efficientes à l’incertitude croissante dans l’opération à court terme des réseaux électriques en présence d’éoliennes à grande échelle et dans un contexte de compétition. Le caractère conservatif de la méthode déterministe a été grandement amélioré par une génération de réserve supplémentaire, contrôlable, et qui tient en compte l’aspect stochastique des éoliennes. La mutualisation des capacités via l’interconnexion permet d’alléger la contrainte d’équilibrage du réseau et de réduire les secousses autour des générateurs conventionnels. Afin de faciliter les transactions d’énergie sur le marché, des règles ont été élaborées pour inciter la mise en disponibilité des générateurs à larges paliers de rampes. Un problème combiné de la programmation des centrales et de transit optimal de puissance incorporant tous les objectifs sus-cités a été formulé. Traduit en programmation mixte quadratique car générant des solutions faisables dont le niveau d’optimalité est connu, celui-ci a été utilisé pour investiguer divers effets de l’interconnexion sur la réduction des coûts d’exploitations associés à plus d’éoliennes sur le réseau. Enfin et surtout, la capacité de notre modèle à résister aux contingences a été validée avec un modèle qui tient compte de l’aspect aléatoire des composants du réseau à tomber en panne. Ce qui nous a permis d’ajuster notre stratégie du marché du jour pour le lendemain par rapport à celui du temps réel. Notre modèle se distingue par sa rapidité et sa capacité `a révéler les coûts cachés de l’intégration des éoliennes dans les réseaux électriques. / Power grids are subject to a variety of uncertainties that may expose them to potential safety issues. Interruptions in electricity supply for instance, may result from an unseasonable temperature fluctuations or a power station outage, which are events of stochastic nature involving the weather or the failure of a component in the grid. The result may be sudden imbalances in supply and demand, leading to load interruptions. To plan for such unforeseen events, the grid carries ’reserve’, i.e., additional capacity above that needed to meet actual demand. However, scheduling the appropriate amount of reserve needed for a reliable and cost-effective grid operation is very challenging, especially in the context of increased uncertainties due to liberalization and the large-scale wind electric generators (WEGs) penetration to grid. Traditional grids assume a fixed knowledge of system conditions for the next day. Wind power being very poor to predict, an extra reserve generation to accommodate its uncertainty is required. Because WEGs aren’t built around spinning turbines, conventional units have been left stressed while responding to large and fast variations in the system net load. Given the temporal operating restrictions that limit their flexibility, the properly functioning of the electricity market can be altered as the energy transactions may not be carried out in realtime, exactly as agreed for security reasons. In this context, the use of the deterministic criteria alone as is the case today, may not be economical or reliable in limiting the risk of uncertainty; calling for sophisticated methods based on more-complex characteristics of uncertainty. This thesis proposes reliable and sound solutions to the increased variability and uncertainty in short-term power grid operations emanating from increasing the share of WEGs in the generation mix and competition from electricity markets. The conservativeness of the deter ministic method has been greatly improved with an adjustable extra generation reserve that accounts for the stochastic feature of WEGs. An inherent flexibility–design that attempts to reduce the onus placed on conventional units to balance the system has been considered. In doing so, the jerkings around these units while responding to large and fast variations in the system net load have been considerably mitigated. Adequate market policies that incentivize flexible resources to make their units with higher ramp rates available to follow dispatch signals have been crafted, thereby avoiding potential reliability degradation or costly out-ofmarket actions. A combined Security Constrained Unit Commitment (SCUC) and Optimal Power Flow (OPF) optimization problem that encompasses all the above mentioned goals has been formulated. Translated into a Mixed Integer Quadratic Programming (MIQP) problem that can return a feasible solution with a known optimality level, the SCUC-OPF engine has been used to investigate various effects of grids integration on reducing the overall operating costs associated with more wind power in the system. Last but not least, the effectiveness of our model to withstand contingencies has been done with a probabilistic model benchmark that accounts for the random nature of grid failure. This allows the adjustment of the Day- Ahead Market (DAM) strategy with respect to the Real-Time Market (RTM). Our model is proven to be more acceptable as it is time-saving, and has particular implications for wind integration studies as it can reverse the hidden cost of integrating WEGs to grid.

Nous étudions les réseaux optiques pouvant transporter un trafic de données de type Internet. Notre objectif est de transposer les paquets électroniques de données en des paquets optiques et d'effectuer un routage de manière tout-optique. Nous utilisons un multi protocole généralisé par commutation d'étiquettes (GMPLS), où une étiquette optique est assignée à chaque paquet et est utilisée pour le routage. Nous proposons deux structures de réseau différentes basées sur des étiquettes multi longueurs d'onde. Nous contournons les principaux désavantages des scénarios GMPLS optiques proposés précédemment, c'est-à-dire les pertes de fractionnement et les technologies complexes requises. Les structures de réseau proposées sont pratiques, haute-vitesse, simples, redimensionnables et peu coûteuses. Pour la première approche, nous utilisons un encodage spectral d'amplitude (SAC) pour les étiquettes afin d'accomplir le routage très haut débit des paquets. Nous proposons de superposer des étiquettes SAC pour réaliser un adressage hiérarchique et ainsi réduire la taille des tables de correspondance d'adresses ainsi que les pertes de fractionnement. Nous examinons expérimentalement deux formats de paquets optiques, l'un avec étiquette SAC séparable, et l'autre avec données directement encodées par SAC. Pour la seconde approche, nous proposons une structure de réseau basée sur des étiquettes multi longueurs d'onde binaires. Les pertes de fractionnement sont éliminées pour cette approche, la rendant ainsi encore plus facilement redimensionnable que notre proposition SAC. Avec cette technique, les bits des étiquettes sont associés à une sélection de cases Séquentielles optiques. Au nœud, les paquets de longueurs variables sont auto routés par un commutateur multi étages alors que chaque bit de l'étiquette contrôle un étage. Le nœud est redimensionnable et possède des pertes d'insertion fixes. Nous proposons également une solution pour alléger les traitements sophistiqués associés à la substitution d'étiquettes dans les réseaux GMPLS. Nous multiplexons temporellement les étiquettes multi longueurs d'onde binaires pour le chemin complet de commutation optique. Comme démonstration de faisabilité, nous examinons expérimentalement les performances des approches proposées. Finalement, nous proposons une solution pour résoudre les collisions, ce qui n'était pas considéré dans les deux premières structures. Nous considérons qu'une topologie simplifiée, soit une topologie à une liaison à un bond. Les nœuds aux frontières sont coordonnés temporellement avec les nœuds centraux lors de l'établissement du réseau, donc la synchronisation optique en temps continu n'est plus nécessaire. Un algorithme de planification non centralisé aléatoire est utilisé pour éliminer les collisions; aucun tampon optique n'est nécessaire. Un algorithme simple de graphe bipartite est proposé afin de déterminer les connections au commutateur central. Nous simulons le réseau pour un type de trafic réaliste; les résultats confirment la bonne performance de l'algorithme de planification et démontrent que l'architecture proposée est pratique et bien adaptée aux réseaux optiques de commutation par paquets. / We investigate optical networks capable of carrying data-type traffic. Our objective is to map Internet packets into optical packets and route them all-optically. We employ generalized multi-protocol label switching (GMPLS), where an optical label used for routing is assigned to each packet. We propose two different network structures based on multi-wavelength labels. We resolve the main drawbacks of previously proposed scenarios that are impractical and expensive due to high splitting loss and the complex technologies required. Our proposed network structures are practical, high-speed, simple, scalable, and low-cost. In the first approach, we use spectral amplitude codes (SAC) as labels, to accomplish ultrafast packet forwarding. We propose stacking SAC-labels for hierarchical addressing, to reduce the size of lookup tables and splitting loss. We experimentally examine two optical packet formats, one with separable SAC-labels, and the other with SAC-encoded payloads. In the second approach, we propose a network structure based on binary multi-wavelength labels. Splitting losses are eliminated in this approach, rendering it even more scalable than our SAC proposal. In this scheme, the label is mapped bit-by-bit to a selection of wavelength bins. At the forwarding node, variable-length packets are self-forwarded over a multi-stage switch where each label bit controls a switch stage. The forwarding node is scalable and has fixed insertion loss. We also propose a solution to alleviate the sophisticated label swapping processing required in GMPLS networks. We time-multiplex the binary multi-wavelength labels for the entire optical label-switching path. We examine the performance of the proposed schemes experimentally as a proof of concept. Finally, we propose a solution for contention resolution, not addressed in the first two structures. We simplify the network topology to single-hop; the edge nodes are time-coordinated with the core nodes, thus optical synchronizers are not required. A noncentralized randomized scheduling algorithm is used to resolve contention; no optical buffer is required. A simple bipartite-graph matching algorithm is proposed to determine the connections at the core switch. We simulate the network for a realistic traffic type; the results confirm the good performance of the scheduling algorithm and establish that the proposed architecture is practical and desirable for packet-switched optical networks.