Made available in DSpace on 2016-08-17T14:53:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao Carlos Cesar.pdf: 5267302 bytes, checksum: 26bac06a2f7777c938fb717c801f59cd (MD5) Previous issue date: 2011-07-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this thesis, an approach based on Set Theory and on the Z Formal Language Specification is presented to formalize the transformations between models in the context of Model Driven Engineering (MDE). The motivation for this research is justified due the ambiguities and inconsistencies present in the models of transformation used to abstract the model transformation process in the MDE context. The precision absence in these the models lead the user to misinterpret complex structures present in the mapping of the source model elements to the target model elements. In this context, we proposed to develop a formal methodology that eliminates the ambiguities and inconsistencies present in the informal representations of model transformation in MDE. To solve this problem, a Formal and Conceptual Framework is developed that groups the elements involved in the process of transformation, represented by mathematical artifacts from the Set Theory and specified on Z language. This Framework is validated through a case study that contains complex transformations, tested on the mathematical proof tool Z/EVES, which supports statements made in Z language. / Nesta dissertação, apresenta-se uma abordagem baseada na Teoria dos Conjuntos e na Linguagem de Especificação Formal Z para formalizar a Transformação entre Modelos dentro do contexto da Engenharia Dirigida a Modelos (MDE). A motivação desta pesquisa se deu devido a constatação de que a literatura sobre MDE tem apresentado ambiguidades e inconsistências nos modelos utilizados para abstrair o processo de transformação de modelos no contexto da MDE. Esta falta de precisão nestes tipos de modelos leva o usuário a interpretar de forma errada estruturas complexas presentes no mapeamento de elementos do modelo fonte para o modelo alvo. Sendo assim, propõe-se desenvolver uma metodologia formal que elimine as ambiguidades e inconsistências presentes nas representações informais da transformação de modelos da MDE. Para solucionar este problema, desenvolveu-se um Framework Conceitual Formal que agrupa os elementos envolvidos no processo de transformação, onde estes são representados através de artefatos matemáticos da Teoria dos Conjuntos e especificados em linguagem Z. Este Framework é validado através de um estudo de caso que contêm transformações, testadas na ferramenta de prova matemática Z/EVES, que suporta declarações feitas em linguagem Z.

Avec la construction des robots de plus en plus complexes, la croissance des architectures logicielles robotiques et l’explosion de la diversité toujours plus grande des applications et misions des robots, la conception, le développement et l’intégration des entités logicielles des systèmes robotiques, constituent une problématique majeure de la communauté robotique. En effet, les architectures logicielles robotiques et les plateformes de développement logiciel pour la robotique sont nombreuses, et sont dépendantes du type de robot (robot de service, collaboratif, agricole, médical, etc.) et de son mode d'utilisation (en cage, d’extérieur, en milieu occupé, etc.). L’effort de maintenance de ces plateformes et leur coût de développement sont donc considérables.Les roboticiens se posent donc une question fondamentale : comment réduire les coûts de développement des systèmes logiciels robotiques, tout en augmentant leur qualité et en préservant la spécificité et l’indépendance de chaque système robotique? Cette question induit plusieurs autres : d’une part, comment décrire et encapsuler les diverses fonctions que doit assurer le robot, sous la forme d’un ensemble d’entités logicielles en interaction? Et d’autre part, comment conférer à ces entités logicielles, des propriétés de modularité, portabilité, réutilisabilité, interopérabilité, etc.?A notre avis, l’une des solutions les plus probables et prometteuses à cette question consiste à élever le niveau d’abstraction dans la définition des entités logicielles qui composent les systèmes robotiques. Pour ce faire, nous nous tournons vers l’ingénierie dirigée par les modèles, et plus particulièrement la conception des DSML (Domain Specific Modeling Language).Dans cette thèse, nous réalisons dans un premier temps, une étude comparative des langages de modélisation et de méthodes utilisés dans le développement des systèmes embarqués temps réel en général. L’objectif de ce premier travail étant de voir s’il en existe qui puissent permettre de répondre aux questions susmentionnées des roboticiens. Cette étude, non seulement nous montre que ces approches ne sont pas adaptées à la définition des architectures logicielles robotiques, mais elle aboutit surtout à unFramework, que nous proposons et qui aide à choisir la (les) méthode(s) et/ou le(s) langage(s) de modélisation le(s) plus adapté(s) aux besoins du concepteur. Par la suite, nous proposons un DSML baptisé RsaML (Robotic Software Architecture Modeling Language), pour la définition des architectures logicielles robotiques avec prise en compte de propriétés temps réel. Pour ce faire, un méta-modèle est proposé à partir des concepts que les roboticiens ont l’habitude d’utiliser pour la définition de leurs applications. Il constitue la syntaxe abstraite du langage. Les propriétés temps réel sont identifiées à leur tour et incluses dans les concepts concernés. Des règles sémantiques du domaine de la robotique sont ensuite définies sous forme de contraintes OCL, puis intégrées au méta-modèle, pour permettre que des vérifications de propriétés non fonctionnelles et temps réel soient effectuées sur les modèles construits. Le Framework de modélisation EMF d’Eclipse a été utilisé pour mettre en oeuvre un éditeur qui supporte le langage RsaML.La suite des travaux réalisés dans cette thèse a consisté à définir des transformations de modèles, puis à les utiliser pour implémenter des générateurs. Ces derniers permettent à partir d’un modèle RsaML construit, d’une part, de produire sa documentation et, d’autre part, de produire du code source en langage C. Ces contributions sont validées à travers un cas d’étude décrivant un scénario basé sur le robot Khepera III. / With the construction of increasingly complex robots, the growth of robotic software architectures and the explosion of ever greater diversity of applications and robots missions, the design, development and integration of software entities of robotic systems, constitute a major problem for the robotics community. Indeed, robotic software architectures and software development platforms for robotics are numerous, and are dependent on the type of robot (service robot, collaborative, agricultural, medical, etc.) and its usage mode (In cage, outdoor, environment with obstacles, etc.).The maintenance effort of these platforms and their development cost are therefore considerable.Roboticists are therefore asking themselves a fundamental question: how to reduce the development costs of robotic software systems, while increasing their quality and preserving the specificity and independence of each robotic system? This question induces several others: on the one hand, how to describe and encapsulate the various functions that the robot must provide, in the form of a set of interactive software entities? And on the other hand, how to give these software entities, properties of modularity, portability, reusability, interoperability etc.?In our opinion, one of the most likely and promising solutions to this question, is to raise the level of abstraction in defining the software entities that make up robotic systems. To do this, we turn to model-driven engineering, specifically the design of Domain Specific Modeling Language (DSML).In this thesis, we first realize a comparative study of modeling languages and methods used in the development of embedded real time systems in general. The objective of this first work is to see if there are some that can make it possible to answer the aforementioned questions of the roboticists. This study not only shows that these approaches are not adapted to the definition of robotic software architectures, but mainly results in a framework, which we propose and which helps to choose the method (s) and / or the modeling language (s) best suited to the needs of the designer. Subsequently, we propose a DSML called Robotic Software Architecture Modeling Language (RsaML), for the definition of robotic software architectures with real-time properties. To do this, a meta-model is proposed from the concepts that roboticists are used to in defining their applications. It constitutes the abstract syntax of the language. Real-time properties are identified and included in the relevant concepts. Semantic rules in the field of robotics are then defined as OCL constraints and then integrated into the meta-model, to allow non-functional and realtime property checks to be performed on the constructed models.Eclipse Modeling Framework has been used to implement an editor that supports the RsaML language. The rest of the work done in this thesis involved defining model transformations and then using them to implement generators. These generators make it possible from a RsaML model built, to produce its documentation and source code in C language. These contributions are validated through a case study describing a scenario based on the Khepera III robot.

De nombreux systèmes hétérogènes sont complexes et critiques. Ces systèmes intègrent du logiciel et des composants matériels avec des interactions fortes entre ces composants. Dans ce contexte, il est devenu absolument nécessaire de développer des méthodologies et des techniques pour spéciier et valider ces systèmes.Dans l'ingénierie des systèmes, les exigences sont l'expression des besoins qu'un produit spécifique ou un service doit réaliser. Elles sont définies formellement à de nombreuses occasions dans l'ingénierie des systèmes complexes. Dans ce type de système, deux catégories d'exigence sont présentes : les exigences non-fonctionnelles telles que la performance et la fiabilité, les exigences fonctionnelles telles que la vivacité. Pour valider ces exigences, un environnement permettant de simuler et vérifier ces propriétés est essentiel.Dans notre travail, nous proposons une méthodologie basée sur SysML et combinée avec SystemC et Promela/SPIN pour spéciier et valider des systèmes complexes. Cette approche est basée sur l'ingénierie dirigée par les modèles pour premièrement traduire des modèles SysML en SystemC afin de réaliser des simulations et deuxièmement traduire des diagrammes d'état SysML en Promela/SPINain de vérifier des propriétés temporelles extraites des exigences. Cette approche est expérimentée sur une étude de cas pour démontrer sa faisabilité. / Heterogeneous Systems are complex and become very critical. These systems integrate software andhardware components with intensive interaction between them. In this context, there is a strongnecessity to develop methodologies and techniques to specify and validate these systems.In engineering, the requirements are the expression of needs on what a particular product or a serviceshould be or to make. They are used most of the time in a formal sense in the systems engineering.In this kind of systems, several types of requirements are present: non-functional requirements suchas the performance and the reliability and functional requirements such as the liveliness. To validatethese requirements of a system, an environment to simulate and to check the properties is essential.In our work, we propose a methodology based on SysML combined with SystemC and Promela/SPINto specify and validate complex systems. This approach is based on Model Driven Engineeringtechniques to irstly translate SysML models to systemC with the aim of simulation and to mapSysML behavioral diagrams to Promela/SPIN in order to verify temporal properties extracted fromthe requirements. The approach is experimented on case studies to demonstrate its feasibility.

Thèse produite en partenariat avec la Ferme d'hiver, centre de recherche industrielle pour l'agriculture en environnement contrôlé. / L’agriculture en environnement contrôlé (AEC) est une pratique agricole de haute technologie où la culture de plantes et son environnement sont soumis à une certaine forme de contrôle afin d’obtenir des rendements plus élevés et une efficacité de production accrue. L’AEC est essentielle en raison de son impact sur la disponibilité des terres arables, l’utilisation de l’eau et l’efficacité énergétique face à l’augmentation de l’insécurité alimentaire mondiale. Les systèmes de AEC sont contrôlés par le biais d’indicateurs de performance clés (IPC) complexes que les experts de plusieurs domaines, dont les ingénieurs et les agronomes, doivent optimiser. L’optimisation des IPC nécessite l’exploration de l’immense espace d’états du système d’AEC. Étant donné que ces systèmes sont complexes et hétérogènes, ils nécessitent une approche de modélisation et de co-simulation multi-paradigme dans laquelle les modèles utilisent les formalismes et les niveaux d’abstraction les plus appropriés. Nous proposons une architecture de co-simulation de AEC capable de capturer la dynamique des entités qui composent notre système à plusieurs niveaux d’abstraction. Nous présentons nos résultats démontrant la validité de notre approche / Controlled environment agriculture (CEA) is a high-tech agricultural practice where the crop and its environment are subject to some form of control to achieve higher yields and produc- tion efficiency. CEA is critical for its impacts on arable land availability, water usage, and energy efficiency amid the rise of global food insecurity. CEA systems are controlled through complex key performance indicators (KPI) that experts of multiple domains, including engi- neers and agronomists, must optimize. The optimization of KPI requires exploring the vast state space of the CEA system. As such systems are complex and heterogeneous, they re- quire a multi-paradigm modeling and co-simulation approach in which models use the most appropriate formalisms and levels of abstraction. We provide a co-simulation architecture for CEA to capture the dynamics of the entities that comprise our system at multiple levels of abstraction and present our results showing the validity of our approach.