An Integrative Framework for Model-Driven Systems Engineering : Towards the Co-Evolution of Simulation, Formal Analysis and Enactment Methodologies for Discrete Event Systems

par Hamzat Olanrewaju Aliyu

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Mamadou Kaba Traoré.

Soutenue le 15-12-2016

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes (laboratoire) et de Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes - Clermont Auvergne (laboratoire) .

Le président du jury était David R. C. Hill.

Le jury était composé de Mamadou Kaba Traoré, Henri Pierreval, Andreas Tolk.

Les rapporteurs étaient Jean-Pierre Müller, Grégory Zacharewicz.

  • Titre traduit

    Un cadre intégratif pour l'ingénierie dirigée par les modèles des systèmes complexes : vers une fusion méthodologique de la simulation à évènements discrets avec l'analyse formelle et le prototypage rapide


  • Résumé

    Les méthodes d’ingénierie dirigée par modèle des systèmes, telles que la simulation, l’analyse formelle et l’émulation ont été intensivement utilisées ces dernières années pour étudier et prévoir les propriétés et les comportements des systèmes complexes. Les résultats de ces analyses révèlent des connaissances qui peuvent améliorer la compréhension d’un système existant ou soutenir un processus de conception de manière à éviter des erreurs couteuses (et catastrophiques) qui pourraient se produire dans le système. Les réponses à certaines questions que l’on se pose sur un système sont généralement obtenues en utilisant des méthodes d’analyse spécifiques ; par exemple les performances et les comportements d’un système peuvent être étudiés de façon efficace dans certains cadres expérimentaux, en utilisant une méthode appropriée de simulation. De façon similaire, la vérification de propriétés telles que la vivacité, la sécurité et l’équité sont mieux étudiées en utilisant des méthodes formelles appropriées tandis que les méthodologies d’émulation peuvent être utilisées pour vérifier des hypothèses temporelles et des activités et comportements impliquant des interactions humaines. Donc, une étude exhaustive d’un système complexe (ou même d’apparence simple) nécessite souvent l’utilisation de plusieurs méthodes d’analyse pour produire des réponses complémentaires aux probables questions. Nul doute que la combinaison de multiples méthodes d’analyse offre plus de possibilités et de rigueur pour analyser un système que ne peut le faire chacune des méthodes prise individuellement. Si cet exercice (de combinaison) permet d’aller vers une connaissance (presque) complète des systèmes complexes, son adoption pratique ne va pas de pair avec les avancées théoriques en matière de formalismes et d’algorithmes évolués, qui résultent de décennies de recherche par les praticiens des différentes méthodes. Ce déficit peut s’expliquer parles compétences mathématiques requises pour utiliser ces formalismes, en combinaison avec la faible portabilité des modèles entre les outils des différentes méthodes. Cette dernière exigence rend nécessaire la tâche herculéenne de créer et de gérer plusieurs modèles du même système dans différents formalismes et pour différents types d’analyse. Un autre facteur bloquant est que la plupart des environnements d’analyse sont dédiés à une méthode d’analyse spécifique (i.e., simulation, ou analyse formelle, ou émulation) et sont généralement difficiles à étendre pour réaliser d’autres types d’analyse. Ainsi, une vaste connaissance de formalismes supportant la multitude de méthodes d’analyse est requise, pour pouvoir créer les différents modèles nécessaires, mais surtout un problème de cohérence se pose lorsqu’il faudra mettre à jour séparément ces modèles lorsque certaines parties du système changent. La contribution de cette thèse est d’alléger les charges d’un utilisateur de méthodes d'analyse multiples, dans sa quête d’exhaustivité dans l’étude des systèmes complexes, grâce à un cadre qui utilise les technologies d’Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) pour fédérer la simulation, l’analyse formelle et l’émulation. Ceci est rendu possible grâce à la définition d’un langage de spécification unifié de haut niveau, supporté par des capacités de synthèse automatiques d’artéfacts requis par les différentes méthodes d’analyse. (...)


  • Résumé

    Model-based systems engineering methodologies such as Simulation, Formal Methods (FM) and Enactment have been used extensively in recent decades to study, analyze, and forecast the properties and behaviors of complex systems. The results of these analyses often reveal subtle knowledge that could enhance deeper understanding of an existing system or provide timely feedbacks into a design process to avert costly (and catastrophic) errors that may arise in the system. Questions about different aspects of a system are usually best answered using some specific analysis methodologies; for instance, system's performance and behavior in some specified experimental frames can be efficiently studied using appropriate simulation methodologies. Similarly, verification of properties such as, liveness, safeness and fairness are better studied with appropriate formal methods while enactment methodologies may be used to verify assumptions about some time-based and human-in-the-loop activities and behaviors. Therefore, an exhaustive study of a complex (or even seemingly simple) system often requires the use of different analysis methodologies to produce complementary answers to likely questions. There is no gainsaying that a combination of multiple analysis methodologies offers more powerful capabilities and rigor to test system designs than can be accomplished with any of the methodologies applied alone. While this exercise will provide (near) complete knowledge of complex systems and helps analysts to make reliable assumptions and forecasts about their properties, its practical adoption is not commensurate with the theoretical advancements, and evolving formalisms and algorithms, resulting from decades of research by practitioners of the different methodologies. This shortfall has been linked to the prerequisite mathematical skills for dealing with most formalisms, which is compounded by little portability of models between tools of different methodologies that makes it mostly necessary to bear the herculean task of creating and managing several models of same system in different formalisms. Another contributing factor is that most of existing computational analysis environments are dedicated to specific analysis methodologies (i.e., simulation or FM or enactment) and are usually difficult to extend to accommodate other approaches. Thus, one must learn all the formalisms underlining the various methods to create models and go round to update all of them whenever certain system variables change. The contribution of this thesis to alleviating the burdens on users of multiple analysis methodologies for exhaustive study of complex systems can be described as a framework that uses Model-Driven Engineering (MDE) technologies to federate simulation, FM and enactment analysis methodologies behind a unified high-level specification language with support for automated synthesis of artifacts required by the disparate methodologies. This framework envelops four pieces of contributions: i) a methodology that emulates the Model- Driven Architecture (MDA) to propose an independent formalism to integrate the different analysis methodologies. ii) Integration of concepts from the three methodologies to provide a common metamodel to unite some selected formalisms for simulation, FM and enactment. Iii) Mapping rules for automated synthesis of artifacts for simulation, FM and enactment from a common reference model of a system and its requirements. iv) A framework for the enactment of idiscrete event systems. We use the beverage vending system as a running example throughout the thesis. (...)


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