Méthodes et outils pour la programmation des systèmes cyber-physiques

Methods and tools for cyber-physical systems programming

• Auteur / Autrice : Louis Viard
• Direction : Pierre-Etienne Moreau, Laurent Ciarletta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 01/04/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Dominique Méry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Etienne Moreau, Laurent Ciarletta, Liliana Cucu, Yamine Aït-Ameur, François Despaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Liliana Cucu, Yamine Aït-Ameur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Assistants de preuve

Méthodes formelles (informatique)

Langages de programmation

Objets coopérants (informatique)

Mots clés libres

Systèmes cyber-physiques

Programmation de mission

Langages dédiés

Preuve de théorème

Cyber-Physical Systems

Mission definition

Domain Specific Language

Theorem Proving

Résumé

La conception de systèmes cyber-physiques est une discipline émergente à l'interface de nombreux domaines d'ingénierie. Ces systèmes se caractérisent notamment par une identité double, liant le monde des contrôleurs, discret, à celui du matériel, continu. Les errements d'un contrôleur, qu'ils soient dus à un programme erroné ou à la manifestation d'un aléa de l'environnement, sont susceptibles de produire des conséquences désastreuses. Une attention particulière doit donc être apportée à leur programmation. Le travail présenté dans cet ouvrage est une réponse à ce défi. Nous proposons un langage dédié à la programmation des systèmes cyber-physiques, Sophrosyne, ainsi qu'une méthode formelle de vérification des missions résultantes. Le langage repose sur des structures de supervision, permettant au système d'adapter son comportement selon la survenance d'aléas. Il présente de plus un volet de modélisation continue du système au moyen d'équations différentielles, duquel dérive la vérification formelle des missions exprimée en logique dynamique différentielle. Divers outils ont été développés autour de Sophrosyne pour assurer la planification, la compilation, l'analyse, et l'exécution de missions. Ils constituent une chaîne logicielle complète allant d'une interface graphique assistant la conception de mission jusqu'à son exécution sur le système réel. Ces outils ont été mis en œuvre sur des projets d'inspections aériennes d'infrastructures par drone. Les travaux présentés sont illustrés par ces applications drones.

Building cyber-physical systems is an up-and-coming discipline which involves many engineering domains. Cyber-physical systems have a controller monitoring their physical behaviour, resulting in intertwined discrete and continuous evolution. Faulty programs or environmental hazards might lead to unwanted control and disastrous consequences. Safe operation of cyber-physical systems requires to pay dedicated attention to their programming. Our work attempts to provide a solution to this challenge. We present a domain specific language for programming cyber-physical systems, Sophrosyne, as well as a formal method to verify the correction of the resulting missions. The language is based on monitoring control structures, which provide reactive behaviours to the system. It furthermore includes continuous modelling of the system with differential equations to enable verification of missions using differential dynamic logic. Various softwares have been built to provide Sophrosyne with mission planification, compilation, analysis, and execution. Together they form a complete toolchain from a graphical user interface supporting the definition of a mission to its execution on the real system. These tools have been used to define aerial inspections of infrastructure with unmanned aircraft. We demonstrate our contribution on such applications.