La vérification formelle des contrôleurs logiques a donné lieu à de nombreux travaux scientifiques cette dernière décennie. Elle permet de démontrer (obtention d'un niveau requis de sûreté de fonctionnement (SdF) des systèmes industriels, et tout particulièrement des systèmes critiques. Nos travaux portent sur la preuve des propriétés relatives à la qualité du service rendu par le système automatisé, que nous nommons des propriétés quantitatives. Par exemple, au lieu de vérifier que plusieurs produits ont effectivement été dosés avant d'enclencher un mélange puis une réaction chimique, il peut être important de prouver que la bonne quantité de ces produits a été dosée. Autre exemple, au lieu de prouver qu'un mobile s'arrête dans une position donnée, il peut être important de prouver que cet arrêt en position s'effectue avec une précision garantie. Ce sont de telles propriétés quantitatives que nous nous sommes attachés à être capables de prouver pour les systèmes à évènement discrets (SED), et plus exactement pour une sous classe des SED : les systèmes logiques. Dans ce mémoire nous explorons l'apport des automates hybrides pour la prise en compte simultanée du caractère discret du contrôleur et continu du processus. A cette fin, nous introduisons un formalisme d'automates hybrides à transitions typées et nous proposons une méthodologie de modélisation basée sur des automates modulaires génériques. La vérification est alors obtenue par le model checker PHAVer. Deux études de cas sont présentées en fin de mémoire.

Notre travail de recherche concerne l'étude de la commande à base de modèles pour une sous-classe de systèmes dynamiques hybrides (SDH). L'outil de modélisation choisi est l'automate hybride rectangulaire (AHR) pour sa puissance d'analyse. Nous proposons ainsi une méthode pour la synthèse de la commande des SDH modélisés par des AHR. Cette méthode repose sur l'application d'une procédure amont/aval de commande hors-ligne qui détermine d'une façon maximale permissive les nouvelles gardes de transition de l'automate respectant des spécifications de commande imposées par l'utilisateur. Tous les calculs réalisés reposent sur la détermination de la durée de séjour, valeur contrainte par l'espace atteignable du sommet correspondant. La garde portant à la fois sur l'état continu et sur l'événement discret, la commande se fait par ce dernier car il s'agit du seul élément contrôlable. Nous nous intéressons alors à la construction du contrôleur temporisé autorisant l'occurrence des événements contrôlables du système dans un intervalle d'horloge défini au sens de la maximale permissivité.

Notre travail de recherche concerne l’étude de la commande à base de modèles pour une sous-classe de systèmes dynamiques hybrides (SDH). L’outil de modélisation choisi est l’automate hybride rectangulaire (AHR) pour sa puissance d’analyse. Nous proposons ainsi une méthode pour la synthèse de la commande des SDH modélisés par des AHR. Cette méthode repose sur l’application d’une procédure amont/aval de commande hors-ligne qui détermine d’une façon maximale permissive les nouvelles gardes de transition de l’automate respectant des spécifications de commande imposées par l’utilisateur. Tous les calculs réalisés reposent sur la détermination de la durée de séjour, valeur contrainte par l’espace atteignable du sommet correspondant. La garde portant à la fois sur l’état continu et sur l’événement discret, la commande se fait par ce dernier car il s’agit du seul élément contrôlable. Nous nous intéressons alors à la construction du contrôleur temporisé autorisant l’occurrence des événements contrôlables du système dans un intervalle d’horloge défini au sens de la maximale permissivité. / In this thesis, we study the control of a class of hybrid dynamic systems (HDS). The chosen modeling tool is the rectangular hybrid automaton (RHA) for his analysis power. We propose a method for the control synthesis of HDS modeled with RHA. This method consists on the application of a downstream/upstream offline control procedure that determines in a maximal permissive way the new automaton transition guards respecting the desired control specifications. All computations are based on the determination of the duration of stay, a value constrained by the reachable space of the corresponding location. Since the guard refers to both continuous state and discrete event, the control is made by the latter because it is the controllable element. Then we are interested in the construction of the timed controller authorizing the system controllable event occurrence in a clock interval defined in a maximal permissive way.

Les réseaux de transport multimodaux modernes sont essentiels pour la durabilité écologique et l’aisance économique des agglomérations urbaines, par conséquent aussi pour la qualité de vie de leurs habitants. D’ailleurs, le bon fonctionnement sur le plan de la compatibilité entre les différents services et lignes est essentiel pour leur acceptation, étant donné que (i) la plupart des trajets nécessitent des changements entre les lignes et que (ii) des investissements coûteux, dans le but de créer des liens plus directs avec la construction de nouvelles lignes ou l’extension de lignes existantes, ne sont pas à débattre. Une meilleure compréhension des interactions entre les modes et les lignes dans le contexte des transferts de passagers est ainsi d’une importance cruciale. Toutefois, comprendre ces transferts est singulièrement difficile dans le cas de situations inhabituelles comme des incidents de passagers et/ou si la demande dévie des plans statistiques à long terme. Ici le développement et l’intégration de modèles mathématiques sophistiqués peuvent remédier à ces inconvénients. À ce propos, la supervision via des modèles prévoyants représente un champ d’application très prometteur, analysée ici. La supervision selon des modèles prévoyants peut prendre différentes formes. Dans le présent travail, nous nous intéressons à l’analyse de l’impact basé sur des modèles de différentes actions, comme des départs en retard de certains véhicules après un arrêt, appliqué sur le fonctionnement du réseau de transport et sa gestion de situations de stress qui ne font pas partie des données statistiques. C’est pourquoi nous introduisons un nouveau modèle, un automate hybride avec une dynamique probabiliste, et nous montrons comment ce modèle profondément mathématique peut prédire le nombre de passagers dans et l’état de fonctionnement du véhicule en question du réseau de transport, d’abord par de simples estimations du nombre de tous les passagers et la connaissance exacte de l’état du véhicule au moment de l’incident. Ce nouvel automate réunit sous un même regard les passagers demandeurs de services de transport à parcours fixes ainsi que les véhicules capables de les assurer. Il prend en compte la capacité maximale et le fait que les passagers n’empruntent pas nécessairement des chemins efficaces, dont la représentation sous la forme d’une fonction de coût facilement compréhensible devient nécessaire. Chaque passager possède son propre profil de voyage qui définit un chemin fixe dans l’infrastructure du réseau de transport, et une préférence pour les différents services de transport sur son chemin. Les mouvements de véhicules sont inclus dans la dynamique du modèle, ce qui est essentiel pour l’analyse de l’impact de chaque action liée aux mouvements de véhicule. De surcroît, notre modèle prend en compte l’incertitude qui résulte du nombre inconnu de passagers au début et de passagers arrivant au fur et à mesure. Comparé aux modèles classiques d’automates hybrides, notre approche inspirée du style des réseaux de Pétri ne requiert pas le calcul de ces équations différentielles à la main. Ces systèmes peuvent être dérivés de la représentation essentiellement graphique d’une manière automatique pour le calcul en temps discret d’une prévision. Cette propriété de notre modèle réduit le risque de précisions faites par des humains et les erreurs qui en résulteraient. Après avoir introduit notre nouveau modèle, nous développons dans ce rapport également quelques éléments constitutifs sous la forme d'algorithmes qui visent les deux types d'impasses qui sont probables d'occurir pendant la simulation faisant un pronostic, c-à-d l'intégration numérique des systèmes de haute dimension d'équations différentielles et l'explosion combinatoire de son état discret. En plus, nous prouvons la faisabilité des calculs et nous montrons les bénéfices prospectifs de notre approche dans la forme de quelques tests simplistes et quelques cas plus réalistes. / Without any doubt, modern multimodal transportation systems are vital to the ecological sustainability and the economic prosperity of urban agglomerations, and in doing so to the quality of life of their many inhabitants. Moreover it is known that a well-functioning interoperability of the different modes and lines in such networked systems is key to their acceptance given the fact that (i) many if not most trips between different origin/destination pairs require transfers, and (ii) costly infrastructure investments targeting the creation of more direct links through the construction of new or the extension of existing lines are not open to debate. Thus, a better understanding of how the different modes and lines in these systems interact through passenger transfers is of utmost importance. However, acquiring this understanding is particularly tricky in degraded situations where some or all transportation services cannot be provided as planned due to e.g. some passenger incident, and/or where the demand for these scheduled services deviates from any statistical long term-plannings. Here, the development for and integration of sophisticated mathematical models into the operation of such systems may provide remedy, where model-predictive supervision seems to be one very promising area of application which we consider here. Model-predictive supervision can take several forms. In this work, we focus on the model-based impact analysis of different actions, such as the delayed departure of some vehicle from a stop, applied to the operation of the considered transportation system upon some downgrading situation occurs which lacks statistical data. For this purpose, we introduce a new stochastic hybrid automaton model, and show how this mathematically profound model can be used to forecast the passenger numbers in and the vehicle operational state of this transportation system starting from estimations of all passenger numbers and an exact knowledge of the vehicle operational state at the time of the incident occurrence. Our new automaton model brings under the same roof, all passengers who demand fixed-route transportation services, and all vehicles which provide them. It explicitly accounts for all capacity-limits and the fact that passengers do not necessarily follow efficient paths which must be mapped to some simple to understand cost function. Instead, every passenger has a trip profile which defines a fixed route in the infrastructure of the transportation system, and a preference for the different transportation services along this route. Moreover, our model does not abstract away from all vehicle movements but explicitly includes them in its dynamics, which latter property is crucial to the impact analysis of any vehicle movement-related action. In addition our model accounts for uncertainty; resulting from unknown initial passenger numbers and unknown passenger arrival flows. Compared to classical modelling approaches for hybrid automata, our Petri net-styled approach does not require the end user to specify our model's many differential equations systems by hand. Instead, all these systems can be derived from the model's predominantly graphical specification in a fully automated manner for the discrete time computation of any forecast. This latter property of our model in turn reduces the risk of man-made specification and thus forecasting errors. Besides introducing our new model, we also develop in this report some algorithmic bricks which target two major bottlenecks which are likely to occur during its forecast-producing simulation, namely the numerical integration of the many high-dimensional systems of stochastic differential equations and the combinatorial explosion of its discrete state. Moreover, we proof the computational feasibility and show the prospective benefits of our approach in form of some simplistic test- and some more realistic use case.

Notre travail de recherche concerne l'étude du diagnostic à base de modèles pour les systèmes temporisés et pour une sous-classe de systèmes dynamiques hybrides. Nous avons d'abord développé une méthode de diagnostic basée sur la compilation hors-ligne d'un diagnostiqueur à partir du modèle automate temporisé du système à diagnostiquer. Une méthode systématique permettant la vérification de la diagnosticabilité du modèle utilisé est ensuite donnée. Nous avons ensuite proposé une méthode de diagnostic pour une sous-classe de systèmes dynamiques hybrides modélisés par des automates hybrides rectangulaires. Cette méthode repose sur l'utilisation d'une procédure de diagnostic en-ligne qui estime l'état courant du système ainsi que les occurrences des défauts non-observables. Enfin, nous avons proposé une méthode de vérification de la diagnosticabilité du langage temporisé accepté par un automate hybride rectangulaire vérifiant les hypothèses considérées dans notre travail.

Les systèmes hybrides sont des systèmes qui combinent des dynamiques discrètes et continues. Cette thèse propose des techniques algorithmiques de vérification et de synthèse pour ces systèmes Le manque de méthodes pour calculer les ensembles atteignables des dynamiques continues est l'obstacle principal vers une méthodologie algorithmique de vérification. Nous développons deux techniques d'atteignabilité approximatives pour les systèmes continus basées sur une méthode efficace pour représenter des ensembles et une combinaison des techniques de la simulation, de la géométrie algorithmique, de l'optimisation, et de la commande optimale. La première technique d'atteignabilité est spécialisée pour les systèmes linéaires et étendue aux systèmes avec entrée incertaine, et la seconde peut être appliquée aux systèmes non-linéaires. En appliquant ces techniques nous développons un algorithme de vérification des propriétés de sûreté pour une large classe des systèmes hybrides avec des dynamiques continues arbitraires et des dynamiques discrètes assez générales. Nous étudions ensuite le problème de la synthèse de contrôleurs de sûreté pour les systèmes hybrides. Nous présentons un algorithme de synthèse des contrôleurs par commutation basé sur le calcul de l'ensemble d'invariance maximal et les techniques d'analyse d'atteignabilité. Nous avons implanté les algorithmes développés dans un outil appelé "d/dt", qui permet la vérification et la synthèse automatique pour les systèmes hybrides avec des inclusions différentielles linéaires. En dehors de nombreux exemples académiques, nous avons appliqué avec succès l'outil pour analyser quelques systèmes pratiques.

Les systèmes hybrides sont au cœur des systèmes cyber-physiques. De tels systèmes représentent l’interaction de processus physiques continus modélisant généralement l'environnement avec des décisions discrètes issues d'un système de contrôle commande électronique. La vérification de ces systèmes est cruciale pour assurer leur sûreté dès la phase de modélisation. Les recherches sur les systèmes hybrides ont de nombreux domaines d’application, notamment le transport, l’aéronautique et la biologie. La thèse étudie des principes du raisonnement qualitatif et les applique à la vérification des systèmes hybrides. Le travail consiste à élaborer une méthode pour abstraire le système hybride en utilisant des principes qualitatifs. On recourt à une discrétisation finie de l'espace d'état tout en conservant des caractéristiques qualitatives du système. L'abstraction calculée permet de prouver des propriétés au niveau du système hybride concret et fournit une représentation du comportement global du système. Un outil développé en C++ permet de calculer l'abstraction d'un système hybride donné. Une évaluation de ses performances est établie. On s'intéresse particulièrement à une propriété de sûreté des systèmes appelée diagnosticabilité. Un modèle de système est dit diagnosticable s'il permet d'identifier sans ambiguïté la survenue de toute faute modélisée à partir des seules observations disponibles du système jusqu’à un certain délai après l’occurrence de la faute. Une méthode qui consiste à utiliser l'abstraction établie précédemment pour vérifier la diagnosticabilité d'un système hybride est proposée. / Hybrid systems are at the core of cyber-physical systems. Such systems represent the interaction between continuous physical processes generally modelling the environment with discrete decisions from control electronic signaling. The verification of these systems is crucial to ensure safety at the modeling stage. The application of hybrid systems is present in many fields such as transportation, biology and avionics. The thesis studies principals from the qualitative reasoning domain and applies them to the verification of hybrid systems. The accomplished work elaborates methods to abstract a hybrid system using qualitative principles. These methods consist in discretizing the state space to a finite number of states while conserving qualitative characteristics. The computed abstraction allows to prove properties at the level of the concrete hybrid system and presents a representation of the global behavior of the system. A tool developed in C++ computes the abstraction of a given hybrid system. An evaluation of its performance is performed. We are also interested in a particular property called diagnosability. The system is said to be diagnosable when it is capable to identify modeled faults using limited specified observations. A method that uses the computed abstraction to verify diagnosability of a given hybrid system is proposed.