Vers Université 4.0 : Une méthode d'Ingénierie basée sur les Modèles pour Concevoir des Systèmes Cyber-Physiques Éducatifs

Towards University 4.0 : A Model-Driven-Engineering Method to Design Educational Cyber Physical Systems

• Auteur / Autrice : Samia Bachir
• Direction : Philippe Aniorté
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 05/01/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'Université de Pau et des pays de l'Adour (Pau) - Laboratoire Informatique de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour
• Jury : Président / Présidente : Anne Lehmans
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Front
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sébastien Iksal, Hernán Astudillo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie 4.0

Enseignement supérieur -- Effets des innovations

Mots clés libres

Université 4.0

ECPS

IDM

Industrie 4.0

EIAH

University 4.0

ECPS

MDE

Industry 4.0

TELE

Résumé

L'Internet of Everything (IoE), extension du paradigme Internet of Things (IoT), est de plus en plus étudié et utilisé par la communauté scientifique et industrielle. Plusieurs domaines ont connu une évolution notable en matière de transformation numérique grâce à l'intégration de ce dernier, comme par exemple l'Industrie 4.0, mais il reste encore beaucoup à faire dans le domaine de l'éducation, notamment à l'université. La conception pédagogique est une préoccupation majeure de la communauté EIAH (Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain). La crise sanitaire de la covid-19 a fait ressortir plusieurs défis à cet égard. L'objectif de l'Industrie 4.0 est de permettre l'intégration de machines et de dispositifs physiques complexes (Systèmes Cyber-Physiques (CPS) basés sur le paradigme IoT). Un ensemble de capteurs, actionneurs et composants logiciels sont alors utilisés pour monitorer, analyser et contrôler des usines intelligentes, en appliquant des boucles de contrôles autonomiques (MAPE: Monitor, Analyze, Plan, Execute). Ces boucles de contrôles permettent d'automatiser tout ou partie des processus métiers. Dans cette thèse, nous étudions comment les concepts utilisés dans l'Industrie 4.0 pourraient contribuer à l'ingénierie de la prochaine révolution numérique universitaire (Université 4.0). Pour ce faire, nous menons une approche exploratoire afin de définir ce que nous appelons les Systèmes Cyber Physiques Educatifs (ECPS) en nous appuyant sur des travaux de la littérature. Nous appliquons ce concept à différents niveaux d'enseignement (séance pédagogique, module, curriculum). Ensuite, nous proposons une méthode de conception de ces systèmes basée sur un processus de modélisation (ModelECPS) et trois Langages de modélisation Spécifiques au Domaine (DSL). La modélisation suit un processus en Y, issu des normes de l'Object Managament Group (OMG). Elle se base sur trois modèles piliers de l’Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) : le modèle indépendant de la plateforme (PIM) qui représente le méta-modèle éducatif, appelé EML4.0; le modèle de définition de la plateforme (PDM), qui est le méta-modèle d'environnement connecté (CPSML), et qui étend la modélisation des ''Things'' à la modélisation de ''Everything''; enfin, le modèle ECPSML qui définit le méta-modèle qui décrit l'environnement connecté éducatif et donc la plateforme spécifique au domaine (PSM). La conception du modèle ECPSML est basée sur un alignement des concepts entre les modèles PDM et PIM et est semi-automatiquement générée par l'application de règles ATL définies pour mettre en place une transformation de modèle à modèle. Pour finir, un processus d'utilisation de la méthode est proposé afin de guider les différentes parties prenantes dans la conception de tels systèmes (ECPS). Pour illustrer notre proposition, nous avons réalisé une étude de cas sur une activité de travaux pratiques pendant la crise sanitaire. Nous décrivons l'ensemble des modèles correspondants à cette activité, ainsi que les boucles MAPE utilisées afin de monitorer et superviser les étudiants pendant la réalisation des travaux pratiques.

The Internet of Everything (IoE) is gaining a growing interest in scientific and industrial communities to have expanded the Internet of Things (IoT) paradigm. In fact, several domains have been through a digital transformation evolution, for instance Industry 4.0, however, a lot still needs to be done regarding the educational domain especially at university. Instructional design is a major concern among the TEL (Technology Enhanced Learning) community. The covid-19 health crisis has dug deeper into several of its challenges. The objective of Industry 4.0 is to foster the integration of complex physical machinery and devices based on Cyber Physical Systems (CPS) and IoT. A set of sensors, actuators and software components are used to monitor, analyze, and control smart factories through control loops (MAPE). In this thesis, we investigate how these concepts could contribute in shaping and engineering the next revolution at university (University 4.0). To do so, we have conducted an exploratory approach in order to, first give a definition of what we call Educational Cyber Physical Systems (ECPS) to build it upon ideas from the literature. This concept is barely addressed in the TELE domain. We apply this concept and its utilization in different educational levels (Classroom, Course, Curriculum). Then, we propose a model-driven method (ModelECPS) to design these systems founded on a modeling process and three Domain Specific Languages (DSL). The modeling process is issued from the Object Management Group (OMG) standards that define the Y process based on three modeling pillars of the MDE method. The platform Independent Model (PIM) represents the educational meta-model, called EML4.0. The Platform Definition Model (PDM) is the connected environment meta-model, called CPSML, that extends the modeling “things” into modeling “everything”. Finally, the ECPSML defines the meta-model that describes the educational connected environment and thus the Platform Specific Model (PSM). Its design is based on concept alignment between both PDM and PIM models and is semi-automatically generated through applying ATL rules (Model-to-Model transformation). A utilization modeling process for the method is given in order to guide the different stakeholders in designing such systems (ECPS). To illustrate our proposal, we conducted a case study on a real-life ECPS classroom during the covid-19 health crisis. We describe the required models designed in this process and supervise students' progress during the practical sessions.