Systems biology aims to describe and understand biology at a global scale where biological systems function as a result of complex mechanisms that happen at several scales. Modelling and simulation are computational tools that are invaluable for description, understanding and prediction these mechanisms in a quantitative and integrative way. Thus multi-scale methods that couple the design, simulation and analysis of models spanning several spatial and temporal scales is becoming a new emerging focus of systems biology. This thesis uses an exemplar – Planar cell polarity (PCP) signalling – to illustrate a generic approach to model biological systems at different spatial scales, using the new concept of Hierarchically Coloured Petri Nets (HCPN). PCP signalling refers to the coordinated polarisation of cells within the plane of various epithelial tissues to generate sub-cellular asymmetry along an axis orthogonal to their apical-basal axes. This polarisation is required for many developmental events in both vertebrates and non-vertebrates. Defects in PCP in vertebrates are responsible for developmental abnormalities in multiple tissues including the neural tube, the kidney and the inner ear. In Drosophila wing, PCP is seen in the parallel orientation of hairs that protrude from each of the approximately 30,000 epithelial cells to robustly point toward the wing tip. This work applies HCPN to model a tissue comprising multiple cells hexagonally packed in a honeycomb formation in order to describe the phenomenon of Planar Cell Polarity (PCP) in Drosophila wing. HCPN facilitate the construction of mathematically tractable, compact and parameterised large-scale models. Different levels of abstraction that can be used in order to simplify such a complex system are first illustrated. The PCP system is first represented at an abstract level without modelling details of the cell. Each cell is then sub-divided into seven virtual compartments with adjacent cells being coupled via the formation of intercellular complexes. A more detailed model is later developed, describing the intra- and inter-cellular signalling mechanisms involved in PCP signalling. The initial model is for a wild-type organism, and then a family of related models, permitting different hypotheses to be explored regarding the mechanisms underlying PCP, are constructed. Among them, the largest model consists of 800 cells which when unfolded yields 164,000 places (each of which is described by an ordinary differential equation). This thesis illustrates the power and validity of the approach by showing how the models can be easily adapted to describe well-documented genetic mutations in the Drosophila wing using the proposed approach including clustering and model checking over time series of primary and secondary data, which can be employed to analyse and check such multi-scale models similar to the case of PCP. The HCPN models support the interpretation of biological observations reported in literature and are able to make sensible predictions. As HCPN model multi-scale systems in a compact, parameterised and scalable way, this modelling approach can be applied to other large-scale or multi-scale systems.

O objetivo deste trabalho é o estudo dos processos informados de automação, isto é, onde o fluxo e armazenagem de informação são determinantes para o processo de negócio (PN), além de servir para verificação de qualidade, recuperação de erros, rastreabilidade de ocorrências anômalas, etc. Aborda-se em especial um tratamento onde a internacionalização do acesso aos dados (sistema EPCIS) passa por um elemento de captura e distribuição local, chamado SAVANT-2, que acaba por ser o elemento chave para controle do fluxo e para o desenvolvimento dos projetos (Dos Santos, 2005). As informações são capturadas por leitores de RFID, e não em código de barras como é feito convencionalmente. As etiquetas de código de barras geraram uma revolução nos sistemas de identificação há algumas décadas atrás, mas hoje se mostram inadequadas num número crescente de casos. O código de barras pode ser extremamente barato, mas tem baixa produtividade além de baixa capacidade de armazenamento de dados e uma dependência maior das operações manuais, quando comparado a outras tecnologias de suporte de dados. Um estudo de caso será feito na automação de acervos, onde a informação de base é a retirada e a devolução de obras por usuários, que é atualizada dinamicamente e está intimamente ligada à missão do próprio sistema de controle do acervo. Esse trabalho segue a mesma abordagem proposta por (Tavares, 2006) e (Dos Santos, 2005), ou seja, controlar a informação corporativa localmente e selecionar, além do código de identificação, as informações que podem e devem ser estrategicamente compartilhadas com o restante do mundo. Em outras palavras utilizaremos a modelagem do fluxo de informação em Redes de Petri e os sistemas denominados de SAVANT-2 e EPCIS-2.Para isso, foram desenvolvidos novos módulos EPCIS-2 e SAVANT-2 adaptados dos já desenvolvidos, só que acoplados a leitores e sensores, que compõe um piloto simplificado de um sistema de controle para biblioteca. Este protótipo instalado no Design Lab da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo gerencia o acervo de livros e mídias do laboratório. Este é não somente o 1º acervo da América Latina automatizado com sistema utilizando a tecnologia RFID, mas também o primeiro automatizado com base na Rede EPC e com a análise de eventos atípicos de seus processos no mundo. / The objective of this work is to study the informed automation processes, in which the information flow and storage are essential to the business process, providing quality control, error recovering, traceability and the track of anomalous occurrences. In such processes the capture of the proper pieces of information is a key point to the automation process, observing the mission assigned to the system. We focus on a case-study of a heap library service, treating the information with RFID (Radio Frequency Identification), reusing the intermediary system SAVANT-2 (Dos Santos, 2005) and a database to the target storage. Barcode labels caused a revolution in the identification systems a few decades ago, but have become inadequate in an increasing number of cases. Barcodes can be extremely inexpensive, but it has low productivity and low data storage capacity. Moreover, it depends more on manual operation, when compared to other technologies. This work follows the line so study of informed automation concepts explored in the work of (Tavares, 2006) and (Dos Santos, 2005) in a manufacturing application. In other words, the control of the corporate information, besides the identification code, is done locally and afterwards, strategic information is selected to be shared with the rest of the world. We use the dataflow modeling in Petri Nets and systems named SAVANT-2 and EPCIS-2. In order to support this work, new modules EPCIS-2 and SAVANT-2, proposed by (Tavares, 2006) and (Dos Santos, 2005) are expanded e implemented, adapting the existing ones to readers and sensors. A simplified project will be implemented in the Design Lab of the Escola Politécnica, Universidade de São Paulo (USP). This is not only the first catalog in the Latin America automated with an RFID system, but also the first in the world with automation based on EPC Networks and with atypical events analysis of its processes.

Este trabalho introduz a formalização algébrica do F-MFG (Functional Mark Flow Graph) para a análise e simulação computacional de modelos de sistemas antropocêntricos de produção, onde são enfocadas a interação e a interface do elemento humano com o sistema produtivo. Abordando os sistemas antropocêntricos como uma classe de sistemas a eventos discretos, o F-MFG, que é uma técnica baseada nas redes de Petri, comprova ter potencial para descrever detalhadamente as ações e estados do sistema. O F-MFG, em conjunto com a Metodologia PFS/MFG (Production Flow Schema/ Mark Flow Graph), estabelece um procedimento eficiente para o projeto de sistemas antropocêntricos, tornando concisa a modelagem e a posterior avaliação estrutural e comportamental do sistema. / This work introduces an algebraic formalization of F-MFG (Functional-Mark Flow Graph). This formalization is effective for analysis and simulation of anthropocentric production systems, which is focused on the interaction and interface between human elements and production systems. When approaching anthropocentric systems as Discrete Event Dynamic Systems, the F-MFG, which is a Petri Net based technique, has been demonstrated its potential capabilities in describing detailed models of system actions and states. The PFS/MFG Methodology (Production Flow Schema/Mark Flow Graph Methodology) combined with F-MFG establishes an efficient procedure for the design of anthropocentric systems. This procedure results in concise modeling and analysis (system structural and behavioral evaluation) processes.

As importantes transformações das organizações nos últimos anos mostram que diferentes princípios de qualidade, competitividade e inovação devem ser conjugados para o projeto de sistemas de controle de sistemas produtivos. Esta abordagem, que traz benefícios às organizações, é viável em virtude da evolução das estratégias de integração e da tecnologia da informação. A partir da norma em elaboração ANSI/ISA S95, esta dissertação desenvolve procedimentos para definição do escopo funcional, requisitos e modelagem para o projeto de sistemas de controle de sistemas produtivos integrados à organização, atuando de forma estruturada, em conformidade com padrões técnicos de automação e engenharia de requisitos. Como resultados, estabelece procedimentos para o início do projeto que definem o escopo funcional do sistema de controle de sistemas produtivos integrado à gestão da organização. A seguir, estes procedimentos estabelecem os domínios semânticos dos subsistemas necessários para o desempenho de suas funções, acompanhados das respectivas linguagens de modelagem. A dissertação completa-se com a modelagem dos subsistemas através do E-MFG com comunicadores, modelagem esta que suporta os padrões existentes de programação da automação. Neste contexto, parte-se dos requisitos de cada subsistema coletados por uma versão modificada do caso de uso da UML, convertidos finalmente para o E-MFG com comunicadores. / The important changes that are happening inside organizations show that different principles of quality, innovation and competition should be combined during the design of control system of production systems. This approach is possible thanks to the evolution of integration strategy and information technology, generating benefits to organizations. Procedures are established to define system’s functional scope, requirements and models, based on the integrated approach of ANSI/ISA S95 standard. The procedures are developed by a structured process and according to automation standards and requirements engineering. The work’s first result is a procedure that defines a functional scope for control system design of production systems integrated with organization. As a second result, procedures help to define semantic domains of all subsystems needed to develop control system functions, as well as the modeling techniques for each domain. The result is complemented by modeling subsystems using an extended version of Mark Flow Graph (E-MFG with communicators). This task has the assistance of a modified use case version from “Unified Modeling Language" to collect requirements before modeling.

Dans ce mémoire, la conception de systèmes numériques complexes, et notamment de systèmes embarqués critiques, est abordée au travers d'une méthodologie allant de la modélisation formelle à l'implantation sur FPGA : la méthodologie HILECOP. Celle-ci offre au concepteur la possibilité de représenter dans un modèle formel d'une part l'architecture du système selon un assemblage de composants, et d'autre part le comportement de ces composants et leur composition par réseaux de Petri temporels. Le modèle décrit est ensuite transformé automatiquement en un modèle implémentable (en langage VHDL) pour son exécution sur la cible matérielle, mais également en un modèle analysable pour permettre l'analyse formelle des propriétés du système. Les deux objectifs principaux des travaux présentés sont l'étude de la conformité d'un point de vue comportemental entre les différents modèles utilisés dans la méthodologie (modèle conçu, modèle implémentable et modèle analysable), ainsi que l'intégration d'un mécanisme de gestion efficace des exceptions. Ces travaux ont permis de fiabiliser l'implémentation du modèle et d'obtenir un modèle analysable plus pertinent par rapport au modèle conçu, dans le sens où il garantit l'inclusion du comportement du modèle conçu dans celui du modèle analysé et réduit, dans une certaine mesure, le risque d'explosion combinatoire. Les limites de la pertinence des résultats obtenus par analyse formelle sont de plus désormais connues. En ce qui concerne la gestion des exceptions, principalement étudiée au niveau comportemental, le mécanisme de la macro-place a été retenu et adapté aux contraintes fonctionnelles et non-fonctionnelles des systèmes embarqués critiques. L'apport de la macro-place et la conservation de la conformité ont pu être validés sur des modèles industriels relatifs à l'architecture numérique de neuroprothèses. / In this thesis, the conception of digital complex systems, and notably of critical embedded systems, is discussed through a methodology which goes from formal modeling to the implementation on a FPGA: the HILECOP methodology. This methodology offers, to a designer, the possibility of representing in a formal model from one hand the digital architecture thanks to some components' assembly, and on the other hand the behavior of these components and their composition, thanks to time Petri nets. The described model is then automatically transformed in an implementable model (in the VHDL language) for its execution on a hardware target, but also in an analyzable model to allow some formal analysis on system properties to be performed. The two main goals of the presented work are the study of the behavioral conformity between the different models used in the methodology (designed model, implementable model and analyzable model) and the integration of an efficient mechanism for handling exception. These works allow to have a more reliable implementation of the model and to obtain a more relevant analyzable model. It is now possible to guarantee that the behavior of the designed model is included in the analyzed one. The risk of combinatorial explosion has also been reduced to some extent. The limits of the relevance of the obtained results thanks to the formal analysis are henceforth known. As for exception handling, it has been mostly studied on the behavioral level. The mechanism of the macroplace has been chosen and adapted to meet the functional and non-functional constraints of critical embedded systems. The benefits given by the use of the macroplace and the preservation of the conformity between the models have been validated on industrial models relative to the digital architecture of neuroprosthetics.

A competição no mercado globalizado, do ponto de vista do consumidor, aumentou consideravelmente a oferta de produtos e serviços, permitindo a escolha pela qualidade, preço, prazos e/ou disponibilidade. Entretanto, do ponto de vista das empresas, o desafio de atuar em um mercado saturado, dinâmico, competitivo e com aumento da demanda de produção orientado ao consumidor altera consideravelmente toda a estrutura da empresa. Desta forma, a flexibilidade torna-se um pré-requisito fundamental para que as empresas possam atuar neste mercado. Considerando-se o contexto apresentado, o objeto de estudo do presente trabalho são os Sistemas Produtivos Flexíveis (SPFs). Os SPFs são sistemas concebidos para atender às necessidades de um mercado dinâmico e competitivo. Isto causa complexidade no comportamento global desses sistemas exigindo diferentes propostas para o projeto de Sistemas de Controle de SPFs. A complexidade advém do fato de se perder a informação quanto ao pré-determinismo da seqüência de eventos que ocorrem no sistema global, além do fato de não existir previamente a definição de todos os processos de transporte com a designação prévia de todas as ordens de transporte que os transportadores presentes na planta devem executar. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é apresentar como resultado uma proposta de sistema de controle modular para SPFs que atenda os requisitos de fluxo de informações envolvendo hierarquia e colaboração simultânea entre os módulos, respeitando a diversidade semântica presente na arquitetura. Apresenta-se então uma sistematização de projeto dos diversos módulos de controle e uma proposta de implementação de um algoritmo de designação dos transportadores para ser utilizado em tempo real permitindo a realização eficiente das atividades de transporte. / The competition in the globalized market increased considerably the demand for products and services to the customer point of view. However, the consumer\'s driven demand change the whole structure of the company. Thus, flexibility becomes an essential pre-requisite for companies to compete in the market. Considering the context presented, the object of study of this work is the Flexible Production System (FPS). The FPS must fulfill the needs on a dynamic and competitive market. This situation causes complexity in the overall performance of these systems, requiring different proposals for the design of the control systems. The complexity arises due to the fact that loses the information about the sequence of events that occur in the global system. Besides there is no previous exist definition for all processes of transport and prior designation for it. In this context, the objective of this work is to present a proposal for modular control systems to FPS that fits the requirements of information flow involving hierarchy and simultaneous collaboration between the modules. It will be presented systematization for the modular design of control as well as an implementation of an algorithm for designation of transport in real time leading to an efficient management of these activities.

Uma vez que uma aplicação ou projeto tenha sido identificado como sujeito ao uso da simulação, decisões devem ser tomadas acerca de como conduzir os estudos. Embora não haja regras definitivas, alguns passos são geralmente recomendados, tais como: planejamento do estudo, definição do sistema, construção do modelo, execução dos experimentos, análise dos resultados e relatório final. E, a construção do modelo é uma das etapas mais demoradas e complexas. Na execução dos experimentos, e na análise dos resultados a Realidade Virtual (RV) é uma interface que pode fornecer um suporte importante para a tomada de decisões, pois a RV auxilia na criação de mundos virtuais semelhantes ao mundo real, que ajudam na compreensão do funcionamento dos sistemas. Este trabalho propõe um metamodelo para o desenvolvimento de sistemas de simulação de eventos discretos com interface de RV aplicados a ambientes ou estações de trabalho de manufatura. A proposta do metamodelo é composto por quatro módulos: i) de edição e validação de modelos, ii) de criação, edição e execução de ambientes virtuais, iii) de conexão para efetuar o elo entre os dois primeiros módulos e, iv) de controle para gerenciar a comunicação e controlar a simulação. Como resultado tem-se a simulação centralizada baseada no modelo descrito em Rede de Petris (RP) com interface de RV distribuída. O sistema computacional gerado pelo metamodelo auxiliará no aprendizado e compreensão do problema simulado, e ainda permitirá ao usuário o envolvimento através da iteração. / The VR aids in the creation of virtual worlds similar to the real world, helping in understanding how a system works. This research work is concerned with the development of a discrete-event system simulation based on Petri Nets, with Virtual Reality interface for manufacturing environment or workstations. The system is composed of four modules, the first is model editing and validation, the second module is a modeling tool for virtual objects and/or a library of virtual elements, the third module makes the link between the two previous modules, and finally, the fourth is a simulation and control module. The centralized simulation is based on models described by Petri Nets with distributed RV interface resulting in a flexible and consistent system. The system will help users in learning and understanding the simulation problem, and it will also allow the user\'s integration with the environment through the interaction, and through distributed interface.

Propõe-se uma estratégia de modelagem e de análise formal de políticas de segurança para sistemas baseados em fluxos de trabalho (workflows) e contendo regras que envolvam aspectos de lógica de negócios. Verifica-se com o auxílio de uma política de exemplo que a estratégia proposta resulta em modelos amplamente capazes de expressar restrições lógicas em função de parâmetros de negócio sem comprometer a viabilidade de suas análises. A modelagem baseia-se no uso de um metamodelo definido a partir da identificação das entidades que caracterizam o estado de proteção de um sistema e representado na forma de uma rede de Petri colorida. Por meio da escrita de predicados para consulta sobre o espaço de estados da rede de Petri, verifica-se o atendimento às regras de segurança no modelo formal. A tratabilidade da análise é garantida pela adoção de um paradigma diferenciado principalmente pela busca de ramos inseguros em vez de nós inseguros no espaço de estados e por explorar a natureza independente entre serviços de negócio distintos, expressa por restrições ao fluxo de informação no metamodelo. Tais restrições permitem que a análise seja fracionada evitando o problema da explosão de estados. O exemplo discutido de modelagem e análise de um sistema de serviços bancários online fornece evidências suficientes para atestar a aplicabilidade do método à validação de políticas de segurança para sistemas reais. / A strategy is proposed for the formal modeling and analysis of workflow- -based security policies having rules which involve aspects of business logic. Aided by an example of security policy, the proposed strategy is shown to lead to models widely capable of expressing logical restrictions as functions of business parameters without compromising the feasibility of its analyses. The modeling is based on the usage of a metamodel defined from the identification of the entities that characterize the protection state of a system, and represented as a colored Petri net. By writing predicates for querying the Petri net state-space, compliance with security rules at the formal model is verified. The feasibility of the analysis is ensured by the adoption of a paradigm distinguished mainly for the search for insecure branches rather than insecure nodes in the state-space, and for exploiting the independent nature among different business services, expressed by restrictions to the information flow within the metamodel. Such restrictions allow the analysis to be fractioned, avoiding the state explosion problem. The example provided of modeling and analysis of an online banking services system offers enough evidence to attest the applicability of the method to the validation of security policies for real-world systems.

A fase inicial de projeto de sistemas, baseada na elicitação, modelagem e análise dos requisitos é considerada a mais complexa e a mais estratégica para obtenção de bons resultados. Por conseguinte, erros precisam ser detectados durante esta fase inicial, antes de começar a implementação, evitando assim o desperdício de tempo e recursos. Este trabalho propõe um método formal de modelagem, análise e verificação de requisitos, partindo de uma representação semi-formal de requisitos em UML, e utilizando o formalismo das Redes de Petri para proceder à modelagem, análise e verificação. Propriedades das redes de Petri, tais como invariantes, são usadas para analisar os requisitos, permitindo uma validação antecipada dos requisitos no processo de design. O objetivo deste trabalho é estender a aplicação das redes de Petri como representação formal para a modelagem e análise de requisitos, endereçando assim a fase anterior às especificações. Pressupõe-se a existência de uma disciplina de projeto baseada em modelos (model driven) que abrange a fase inicial do projeto e se propaga para a modelagem e verificação de soluções. Assim, a abordagem proposta nesta tese se encaixa plenamente em um processo orientado a modelos que use a mesma linguagem: as redes de Petri. / The first stage of system design, which includes elicitation, modeling, and analysis of requirements is considered at the same time, very complex and very strategic to achieve proper results.Therefore it is important to detect mistakes both, conceptual and in requirements, before implementation begins, avoiding the waste of time and resources. This work proposes a formal method for modeling, analysis and verification of requirements, starting with a semi-formal representation of requirements in UML. Petri net and its properties such as invariants are used to analyze requirements, thereby allowing that requirements can be validated earlier. The main objective of this work is to extend the application of Petri Nets, as a formal representation, to requirements phase, addressing specification building. It is assumed that there is a model driven design approach that encompass the initial (requirements) phase and goes through the modeling and verification of solutions. Therefore the approach proposed in this work fits a model driven general approach which could use the same formal language: Petri Nets.

A segurança do espaço aéreo pode aumentar consideravelmente com o uso de operações de espaçamento e separação aerotransportados. Sob este paradigma, a tarefa de manter distância em relação a outras aeronaves é delegada aos pilotos, que contarão com o Sistema de Assistência de Separação Aerotransportado (ASAS). Com este sistema, ainda em fase experimental, os pilotos tornam-se cientes dos riscos do tráfego circundante com até 15 minutos de antecedência, sem necessitar de auxílio dos controladores de tráfego aéreo. Esta antecedência é muito maior que a do atual sistema anti-colisão (TCAS), que é de menos de 1 minuto. O sistema ASAS utiliza uma tecnologia de comunicação mais avançada que a tecnologia do transponder modo C, utilizado atualmente pelo sistema anti-colisão. O novo sistema ASAS está sendo desenvolvido intensivamente no Eurocontrol e em outras iniciativas nos Estados Unidos da América, e funcionará em conjunto com o atual sistema anti-colisão, proporcionando redundância, ou seja: se o antigo sistema falhar, o novo ainda pode emitir um alerta, ou vice-versa. O presente trabalho de pesquisa aborda a aplicação do ASAS para aumentar a precisão do espaçamento entre aeronaves que chegam sequencialmente a um determinado aeroporto, por meio de um formalismo matemático denominado \"Rede de Petri Estocástica e Dinamicamente Colorida\", com a obtenção de dados quantitativos sobre o risco de acidente. Esses dados indicam que o risco de acidente é significativamente menor com o uso do ASAS do que sem o uso do ASAS. / The safety in the airspace can considerably increase with the use of airborne spacing and separation operations. Under this paradigm, the task of maintaining a safe distance between aircraft is delegated to the pilots, which will be supported by the Airborne Separation Assistance System (ASAS). With this system, which is still in experimental phase, pilots become aware of the surrounding air traffic risks with up to 15 minutes in advance, without the help of air traffic controllers on the ground. This antecedence is much greater than the one provided by the current Traffic Collision Avoidance System (TCAS). ASAS uses a more advanced communication technology than Mode-C transponder, broadly used in the current civil aviation for collision avoidance purposes. The development of ASAS is being carried out intensively in Eurocontrol and in other initiatives in the United States of America, and this novel system is intended to work in parallel with the current collision avoidance systems, acting as safety nets. The present study approaches the ASAS application to improve the precision of spacing between aircraft that sequentially arrive at an airport, using the so called mathematical formalism \"Stochastically and Dynamically Coloured Petri Net\", for evaluating quantitative data about accident risk. These data indicate that the accident risk is significantly smaller when aircraft pairs use ASAS Spacing than when aircraft pairs do not use ASAS Spacing.