Vers une sémantique opérationnelle pour les modèles de jumeaux numériques basés sur SysML v2 et des assistants intelligents pour la vérification et la validation formelles

Towards an operational semantics for digital twins models based on SysML v2 and intelligent assistants for formal verification and validation

• Auteur / Autrice : Christian Koumlah mbey
• Direction : Iulian Ober
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunications
• Date : Inscription en doctorat le 03/11/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA MOIS MOdélisation et Ingénierie des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DISC/MITT Département d'Ingéniérie des Systèmes Complexes
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

SysML v2

Jumeaux Numériques

Modélisation

Sémantique opérationnelle

Vérification et Validation formelles

Agents intelligents

SysML v2

Digital Twins

Modeling

Operational semantics

Formal Verification and Validation

Intelligent agents

Résumé

Les jumeaux numériques sont au cœur des préoccupations industrielles pour le contrôle et l'analyse des systèmes complexes, depuis leur conception jusqu'à leur maintenance en exploitation. Ils sont construits avec un usage spécifique en tête (par exemple, comprendre un phénomène complexe, optimiser une chaîne de production ou contrôler un processus biologique) et, une fois déployés, jouent un rôle central dans les processus décisionnels. Il est donc crucial que leur conception soit rigoureuse et qu'il soit possible de vérifier qu'ils remplissent bien les attentes. La version 2.0 du Systems Modeling Language (SysML) [4] a récemment été publiée en version bêta par l'OMG, marquant une rupture majeure avec SysML 1.x. Alors que les versions précédentes étaient définies comme des extensions du Unified Modeling Language (UML) [5] et conservaient un fort héritage de l'ingénierie logicielle, la version 2 adopte une approche entièrement repensée avec une perspective centrée sur l'ingénierie des systèmes dès sa conception. Cette nouvelle définition repose sur un langage plus simple et plus concis, le Kernel Modeling Language (KerML) [6], spécifiquement conçu comme fondation pour SysML v2. KerML introduit des concepts généraux pour structurer les modèles (éléments, relations, annotations, espaces de noms), des mécanismes basés sur la classification (types, spécialisations) ainsi que des constructions supplémentaires pour les capacités de modélisation couramment nécessaires (associations et comportements). Le standard KerML inclut une sémantique déclarative formalisée en logique du premier ordre, qui ne peut toutefois pas être directement exploitée pour dériver une sémantique exécutable des modèles KerML. Objectifs de la thèse: Le premier objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie basée sur SysML v2 pour la modélisation des jumeaux numériques. Les modèles développés avec cette méthodologie seront conformes au standard et prendront en charge la vérification et la validation via simulation et vérification formelle. Pour cela, la sémantique opérationnelle de SysML v2 sera définie. Récemment, de nouveaux formalismes de définition de la sémantique ont été introduits par la communauté des langages de programmation, offrant à la fois rigueur formelle, lisibilité et facilité d'application aux langages complexes [3,7]. Certains outils [2] permettent d'obtenir avec peu d'effort un simulateur ou un débogueur pour tout langage disposant d'une sémantique exécutable, y compris ceux supportant la concurrence [8]. À ce jour, ces formalismes et outils n'ont pas encore été appliqués aux modèles d'ingénierie système, mais ils semblent particulièrement adaptés pour la définition de la sémantique de SysML v2. La vérification formelle a historiquement été une discipline réservée à un cercle restreint d'experts maîtrisant des technologies souvent complexes et peu accessibles, limitant ainsi leur adoption industrielle. Cependant, avec les avancées de l'IA générative et des assistants intelligents, il devient envisageable de concevoir des assistants virtuels pour la vérification formelle. Ainsi, le second objectif de la thèse est de définir et implémenter un cadre technologique permettant d'intégrer ces assistants intelligents dans l'outil de modélisation des jumeaux numériques SysML v2, afin de rendre la vérification formelle accessible à un plus large public.

Digital twins are at the heart of industrial concerns for the control and analysis of complex systems, from their design to their maintenance in operation. Digital twins are built with a given use in mind (e.g., understanding a complex phenomenon, optimizing a production line or controlling a biological process), and once deployed they are at the heart of decision processes. It is therefore important that their design is rigorous, and that we can verify that they do what we expect of them. Systems Modeling Language (SysML) version 2.0 [4] has been recently published in beta version by the OMG and constitutes a major departure from SysML 1.x. While the previous versions were defined as extensions of the Unified Modeling Language (UML) [5] and carried with them a lot of software engineering legacy, the version 2 adopts a fresh start and takes a systems engineering perspective from the outset. The new language definition is based on a simpler and smaller language, the Kernel Modeling Language (KerML) [6], specifically designed as a foundation for SysML v2. KerML includes general constructs for structuring models, such as elements, relationships, annotations and namespaces, constructs based on classification (types, specialization), and additional constructs for commonly needed modeling capabilities, such as associations and behaviors. The KerML standard includes a declarative semantics formalized in first order logic, but which cannot be used directly to derive an executable semantics for KerML models. The first objective of this thesis is to propose a SysMLV2 method for modeling digital twins. Digital twins models built thanks to the methodology will conform to the standard and support verification and validation through simulation and formal verification. To make this possible, the operational semantics of SysML v2 will be defined. Recently, modern semantic definition formalisms have been introduced by the programming language theory community, which are at the same time formal, readable and practical to use for large and complex languages, e.g., [3,7]. Tools like [2] allow to obtain with little effort a simulator or debugger for any modeling language with an executable semantics, including languages that support concurrency [8]. Such formalisms and tools have not yet been used beyond programming languages to systems engineering models, but they are deemed well suited for the definition of the semantics of most SysML v2 constructs. Formal verification has always been a discipline reserved for a handful of experts who have mastered technologies that are often confidential, thus limiting their application at industrial level to a select few. With the advance of generative AI and intelligent assistants, it now seems conceivable to create virtual assistants for formal verification. The second objective of the thesis will be to define and implement a technological framework for augmenting the modeling tool with formal verification assistants for the SysML V2 digital twin model.