Modélisation formelle et analyse des systèmes de systèmes intégrant le temps et les ressources.

Formal Modeling and Analysis of Time-Resource Aware Systems-of-Systems.

• Auteur / Autrice : Charaf Dridi
• Direction : Nabil Hameurlain, Faiza Belala
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 03/07/2024
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Université Abdelhamid Mehri - Constantine 2 (Constantine, Algérie)
• 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 : Mahmoud Boufaida
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nabil Hameurlain, Faiza Belala, Khalil Drira, Ahmed Hadj Kacem, Sofia Kouah
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khalil Drira, Ahmed Hadj Kacem

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation des données (informatique)

Langages de programmation

Ingénierie

Mots clés libres

Sds

SCs

Missions

Contrôle centralisé

Stratégies de gestion

Modélisation et vérification formelles

SoSE

CSs

SoS

Centralised Control

Management Strategies

Formal Modeling and Verification

Résumé

Les Systèmes de Systèmes (SdS) sont des logiciels prépondérants de grande échelle, complexes et parfois même critiques. Un SdS est le résultat de l'intégration d'un ensemble de Systèmes Constituants (SCs) autonomes, hétérogènes et évolutifs, qui interagissent les uns avec les autres, pour remplir leur propre but (mission) opérationnel et de faire émerger de nouvelles fonctionnalités qui dépassent celles des SCs individuels.Actuellement, la modélisation, la simulation et l'analyse des SdS posent désormais un grand défi du point de vue génie logiciel, en raison de la complexité liée aux caractéristiques spécifiques de tels systèmes : contraintes temporelles liées aux missions, la production et la consommation des ressources par chaque mission, et enfin l'émergence d'un comportement désiré ou non désiré au sein d'un SC ou du SdS. Les travaux de cette thèse visent à proposer une approche générique, à base de modèles, pour décrire l'architecture d'un SdS (et ses SCs), le comportement fonctionnel de chaque mission ainsi que la validation par simulation du comportement global d'un SdS. Nous proposons un cadre architectural multi-vues modulaire et intuitif qui s'appuie sur la norme ISO/IEC/IEEE 42010. Ce cadre est associé à un ensemble de processus d'ingénierie de SdS et à un profil UML dédié aux SdS, afin de faciliter et d'améliorer la conception des architectures de SdS. Concernant l'aspect comportemental des SdS, notre approche s'appuie sur le langage Maude, un langage à base de la logique de réécriture, pour décrire, analyser et valider par modèle le comportement fonctionnel d'un SdS, intégrant les ressources, produites et consommées par chaque mission, ainsi que les contraintes temporelles de chaque mission au sein d'un CS.Dans cette thèse, nous proposons un ensemble de méta-modèles génériques et réutilisables pour décrire les différentes entités impliquées dans l'allocation des ressources et l'exécution des missions. Nous utilisons le langage Maude pour définir la sémantique opérationnelle de divers concepts, entités et propriétés présentés dans les méta-modèles. Nous adoptons un contrôle centralisé pour la gestion et l'allocation des ressources et leur coordination, en spécifiant les missions, les rôles et les ressources, ainsi que leurs propriétés quantitatives. Enfin, nous définissons un ensemble de stratégies de gestion de l'exécution des missions. Ces stratégies visent à améliorer le fonctionnement opérationnel du SdS en évitant les comportements indésirables et en favorisant les chemins de mission désirables et optimaux vis à vis des contraintes temporelles liées aux ressources et aux missions, la disponibilité des ressources, etc. Dans cette thèse, nous exploitons les extensions RT-Maude (Real Time Maude) et Maude Strategy du langage Maude, pour décrire ces différentes stratégies et valider le comportement des SdS en utilisant les techniques de vérification par model-checking offertes par le langage Maude. Toutes ces contributions ont été validées par une étude de cas complète axée sur les SdS de gestion de crise.

Systems of Systems (SoSs) are predominantly large-scale, complex, and sometimes critical software. An SoS is the result of integrating a set of autonomous, heterogeneous, and evolving Constituent Systems (CSs) that interact with each other to fulfill their operational purpose (mission) and to offer new functionalities that exceed those of the individual CSs.Currently, the modeling, simulation, and analysis of SoS present a significant challenge from a software engineering perspective, due to the complexity associated with the specific characteristics of such systems: temporal constraints linked to missions, the production and consumption of resources by each mission, and finally the emergence of desired or undesired behavior within a CS or the SoS. The work of this thesis aims to propose a generic, model-based approach to describe the architecture of an SoS (and its CSs), the functional behavior of each mission, and the validation through simulation of the global behavior of an SoS. We propose a modular and intuitive multi-view architectural framework based on the ISO/IEC/IEEE 42010 standard. This framework is associated with a set of SoS engineering processes and a UML profile dedicated to SoSs, this framework facilitates and improves the design of SoS architectures. Regarding the behavioral aspect of the SoS, our approach relies on the Maude language as a rewriting logic-based language, to describe, analyze, and validate through modeling the functional behavior of an SoS, integrating the resources produced and consumed by each mission, as well as the temporal constraints of each mission within a CS.In this thesis, we propose a set of generic and reusable meta-models to describe the various entities involved in resource allocation and mission execution. We use the Maude language to define the operational semantics of various concepts, entities, and properties presented in the meta-models. We adopt a centralized control for the management and allocation of resources and their coordination, specifying missions, roles, and resources, as well as their quantitative properties. Finally, we define a set of strategies for managing the execution of missions. These strategies aim to improve the operational functioning of the SoS by avoiding undesirable behaviors and promoting desirable and optimal mission paths taking into account temporal constraints related to resources and missions, resource availability, etc. In this thesis, we utilize the RT-Maude (Real Time Maude) and Maude Strategy extensions of the Maude language, to describe these strategies and validate the behavior of the SoS using the model-checking verification techniques offered by the Maude language. All these contributions have been validated through a comprehensive case study approach focusing on crisis management SoS.