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Programas sofrem diversas modificações ao longo das etapas de desenvolvimento, implantação e manutenção. A evolução de um software pode ter várias causas: correção de erros, inclusão de novas funcionalidades ou até mesmo, como é o caso de programas orientados a aspecto, transformações estruturais podem fazer parte da semântica do sistema. Apesar de modificações serem comuns, não é tarefa trivial prever como estas afetam o comportamento dos programas, já que os componentes de software normalmente interagem de forma complexa, o que faz com que mesmo pequenas alterações possam introduzir comportamentos indesejados. Transformação de grafos, também conhecida como reescrita de grafos, é um importante paradigma para modelagem e análise de sistemas. Modelos baseados em transformação de grafos, como gramáticas de grafos, permitem uma modelagem ao mesmo tempo intuitiva e com semântica precisa, permitindo a aplicação de técnicas de análise como verificação de modelos e análise de par crítico no estudo do comportamento de sistemas. A teoria por trás de transformação de grafos vem sendo desenvolvida a várias décadas, e atualmente está descrita de uma forma bastante abstrata. Contudo, ainda não possui uma definição natural de reescritas de alta ordem, que facilitaria a definição de evolução de especificações compostas por regras de reescrita de grafo, tais como gramáticas de grafos. Nesta tese são abordadas a modelagem e a análise de sistemas sob modificações programadas no contexto de gramáticas de grafos. A generalização da abordagem de pushout duplo para reescrita de grafos é utilizada como o princípio geral para descrever, simultaneamente, a semântica do sistema e modificações estruturais. Para tal, introduzimos uma noção de reescrita de segunda ordem para modificar a estrutura de regras de transformação de grafos, e usando isso, definimos modelos equipados simultaneamente de regras de primeira e segunda ordem, chamados gramáticas de grafos de segunda ordem. Através destes modelos podemos representar simultaneamente transformações estruturais e execução do sistema, e relacionar formalmente ambos tipos de reescrita. Também propomos novas técnicas para investigar o efeito da modificação de regras sobre a aplicação destas. Finalmente, como um exemplo de aplicação da teoria, caracterizamos construções de sistemas orientados a aspectos através de gramáticas de grafos de segunda ordem, e discutimos como utilizar as novas técnicas para estudar o efeito da combinação aspectual sobre o sistema inicial. / Software systems are not static entities: they usually undergo several changes along their development and maintenance cycles. Software evolution may be required for several reasons, such as the inclusion of new functionalities, the correction of errors or even as part of the system semantics, as it is the case of aspect-oriented systems. However, it is usually not trivial to foresee how structural changes can affect the system behaviour, since system components often interact in very complex ways, and even trivial modifications may introduce new problems. Graph transformation, also known as graph rewriting, has been used throughout the years as an important paradigm for system modelling and analysis. Models based on graph transformation, such as graph grammars, allow an intuitive but formal representation of the system behaviour, allowing the usage of analysis techniques such as model checking and static analysis of rule interaction. The theory behind graph transformation is quite general, and has been studied since the 1970s. However, it still lacks a general notion of higher-order rewriting that would allow a natural definition of model transformations for graph grammars. The lack of general second-order characterization presents difficulties for employing graph grammars as targets of model transformations, and studying how model transformations affect their natural behaviour. In this thesis we address the problem of modelling and analysing systems undergoing programmed modifications in the context of graph grammars. We use the generalization of the double-pushout approach for graph rewriting as a principle for defining simultaneously the system semantics and structural modifications. To achieve this, we introduce a notion of second-order graph rewriting that acts on graph transformation rules. Based on secondorder rewriting we are able to define second-order graph grammars, models equipped with a first-order layer, representing the original system execution, and a second-order layer, representing a model transformation. Using second-order graph grammar we can encode simultaneously model transformations and system execution, allowing us to formally relate them. Moreover, we propose new techniques to investigate the effect of rule modification over their effect on graphs. As an application example, we characterize aspect-oriented constructions for graph grammars, and discuss how to relate the aspect weaving layer with the base system semantics.

Programas sofrem diversas modificações ao longo das etapas de desenvolvimento, implantação e manutenção. A evolução de um software pode ter várias causas: correção de erros, inclusão de novas funcionalidades ou até mesmo, como é o caso de programas orientados a aspecto, transformações estruturais podem fazer parte da semântica do sistema. Apesar de modificações serem comuns, não é tarefa trivial prever como estas afetam o comportamento dos programas, já que os componentes de software normalmente interagem de forma complexa, o que faz com que mesmo pequenas alterações possam introduzir comportamentos indesejados. Transformação de grafos, também conhecida como reescrita de grafos, é um importante paradigma para modelagem e análise de sistemas. Modelos baseados em transformação de grafos, como gramáticas de grafos, permitem uma modelagem ao mesmo tempo intuitiva e com semântica precisa, permitindo a aplicação de técnicas de análise como verificação de modelos e análise de par crítico no estudo do comportamento de sistemas. A teoria por trás de transformação de grafos vem sendo desenvolvida a várias décadas, e atualmente está descrita de uma forma bastante abstrata. Contudo, ainda não possui uma definição natural de reescritas de alta ordem, que facilitaria a definição de evolução de especificações compostas por regras de reescrita de grafo, tais como gramáticas de grafos. Nesta tese são abordadas a modelagem e a análise de sistemas sob modificações programadas no contexto de gramáticas de grafos. A generalização da abordagem de pushout duplo para reescrita de grafos é utilizada como o princípio geral para descrever, simultaneamente, a semântica do sistema e modificações estruturais. Para tal, introduzimos uma noção de reescrita de segunda ordem para modificar a estrutura de regras de transformação de grafos, e usando isso, definimos modelos equipados simultaneamente de regras de primeira e segunda ordem, chamados gramáticas de grafos de segunda ordem. Através destes modelos podemos representar simultaneamente transformações estruturais e execução do sistema, e relacionar formalmente ambos tipos de reescrita. Também propomos novas técnicas para investigar o efeito da modificação de regras sobre a aplicação destas. Finalmente, como um exemplo de aplicação da teoria, caracterizamos construções de sistemas orientados a aspectos através de gramáticas de grafos de segunda ordem, e discutimos como utilizar as novas técnicas para estudar o efeito da combinação aspectual sobre o sistema inicial. / Software systems are not static entities: they usually undergo several changes along their development and maintenance cycles. Software evolution may be required for several reasons, such as the inclusion of new functionalities, the correction of errors or even as part of the system semantics, as it is the case of aspect-oriented systems. However, it is usually not trivial to foresee how structural changes can affect the system behaviour, since system components often interact in very complex ways, and even trivial modifications may introduce new problems. Graph transformation, also known as graph rewriting, has been used throughout the years as an important paradigm for system modelling and analysis. Models based on graph transformation, such as graph grammars, allow an intuitive but formal representation of the system behaviour, allowing the usage of analysis techniques such as model checking and static analysis of rule interaction. The theory behind graph transformation is quite general, and has been studied since the 1970s. However, it still lacks a general notion of higher-order rewriting that would allow a natural definition of model transformations for graph grammars. The lack of general second-order characterization presents difficulties for employing graph grammars as targets of model transformations, and studying how model transformations affect their natural behaviour. In this thesis we address the problem of modelling and analysing systems undergoing programmed modifications in the context of graph grammars. We use the generalization of the double-pushout approach for graph rewriting as a principle for defining simultaneously the system semantics and structural modifications. To achieve this, we introduce a notion of second-order graph rewriting that acts on graph transformation rules. Based on secondorder rewriting we are able to define second-order graph grammars, models equipped with a first-order layer, representing the original system execution, and a second-order layer, representing a model transformation. Using second-order graph grammar we can encode simultaneously model transformations and system execution, allowing us to formally relate them. Moreover, we propose new techniques to investigate the effect of rule modification over their effect on graphs. As an application example, we characterize aspect-oriented constructions for graph grammars, and discuss how to relate the aspect weaving layer with the base system semantics.

Programas sofrem diversas modificações ao longo das etapas de desenvolvimento, implantação e manutenção. A evolução de um software pode ter várias causas: correção de erros, inclusão de novas funcionalidades ou até mesmo, como é o caso de programas orientados a aspecto, transformações estruturais podem fazer parte da semântica do sistema. Apesar de modificações serem comuns, não é tarefa trivial prever como estas afetam o comportamento dos programas, já que os componentes de software normalmente interagem de forma complexa, o que faz com que mesmo pequenas alterações possam introduzir comportamentos indesejados. Transformação de grafos, também conhecida como reescrita de grafos, é um importante paradigma para modelagem e análise de sistemas. Modelos baseados em transformação de grafos, como gramáticas de grafos, permitem uma modelagem ao mesmo tempo intuitiva e com semântica precisa, permitindo a aplicação de técnicas de análise como verificação de modelos e análise de par crítico no estudo do comportamento de sistemas. A teoria por trás de transformação de grafos vem sendo desenvolvida a várias décadas, e atualmente está descrita de uma forma bastante abstrata. Contudo, ainda não possui uma definição natural de reescritas de alta ordem, que facilitaria a definição de evolução de especificações compostas por regras de reescrita de grafo, tais como gramáticas de grafos. Nesta tese são abordadas a modelagem e a análise de sistemas sob modificações programadas no contexto de gramáticas de grafos. A generalização da abordagem de pushout duplo para reescrita de grafos é utilizada como o princípio geral para descrever, simultaneamente, a semântica do sistema e modificações estruturais. Para tal, introduzimos uma noção de reescrita de segunda ordem para modificar a estrutura de regras de transformação de grafos, e usando isso, definimos modelos equipados simultaneamente de regras de primeira e segunda ordem, chamados gramáticas de grafos de segunda ordem. Através destes modelos podemos representar simultaneamente transformações estruturais e execução do sistema, e relacionar formalmente ambos tipos de reescrita. Também propomos novas técnicas para investigar o efeito da modificação de regras sobre a aplicação destas. Finalmente, como um exemplo de aplicação da teoria, caracterizamos construções de sistemas orientados a aspectos através de gramáticas de grafos de segunda ordem, e discutimos como utilizar as novas técnicas para estudar o efeito da combinação aspectual sobre o sistema inicial. / Software systems are not static entities: they usually undergo several changes along their development and maintenance cycles. Software evolution may be required for several reasons, such as the inclusion of new functionalities, the correction of errors or even as part of the system semantics, as it is the case of aspect-oriented systems. However, it is usually not trivial to foresee how structural changes can affect the system behaviour, since system components often interact in very complex ways, and even trivial modifications may introduce new problems. Graph transformation, also known as graph rewriting, has been used throughout the years as an important paradigm for system modelling and analysis. Models based on graph transformation, such as graph grammars, allow an intuitive but formal representation of the system behaviour, allowing the usage of analysis techniques such as model checking and static analysis of rule interaction. The theory behind graph transformation is quite general, and has been studied since the 1970s. However, it still lacks a general notion of higher-order rewriting that would allow a natural definition of model transformations for graph grammars. The lack of general second-order characterization presents difficulties for employing graph grammars as targets of model transformations, and studying how model transformations affect their natural behaviour. In this thesis we address the problem of modelling and analysing systems undergoing programmed modifications in the context of graph grammars. We use the generalization of the double-pushout approach for graph rewriting as a principle for defining simultaneously the system semantics and structural modifications. To achieve this, we introduce a notion of second-order graph rewriting that acts on graph transformation rules. Based on secondorder rewriting we are able to define second-order graph grammars, models equipped with a first-order layer, representing the original system execution, and a second-order layer, representing a model transformation. Using second-order graph grammar we can encode simultaneously model transformations and system execution, allowing us to formally relate them. Moreover, we propose new techniques to investigate the effect of rule modification over their effect on graphs. As an application example, we characterize aspect-oriented constructions for graph grammars, and discuss how to relate the aspect weaving layer with the base system semantics.

Le principe du contrôle par flux de fuite magnétique (Magnetic Flux Leakage MFL) consiste à aimanter la pièce à contrôler par un champ magnétique et à détecter à l'aide d'un capteur magnétique les fuites des lignes du champ qui résultent de la présence d'un défaut dans la pièce. Dans le but d'améliorer les performances d'un dispositif de détection, le CEA et la société Vallourec collaborent pour développer un modèle numérique dédié au contrôle virtuel des défauts longitudinaux dans les tubes ferromagnétiques. Le dispositif expérimental comprend un circuit magnétique tournant à une vitesse constante autour du tube qui défile. Dans le cadre de cette thèse, on débute le problème de la modélisation sans tenir compte des effets de la vitesse de rotation, il s'agit donc de résoudre un problème d'électromagnétisme en régime magnétostatique.Pour résoudre ce problème, on propose de comparer une approche semi-analytique basée sur le formalisme des équations intégrales (EI) et une approche purement numérique utilisant les éléments finis (EF).Dans la première partie de cette thèse, après avoir établi le formalisme théorique par EI, un premier modèle considérant des matériaux ferromagnétiques à perméabilité magnétique constante (régime linéaire) a été mis en œuvre en 2D. Ce modèle a été appliqué pour un exemple de système extrait de la littérature et validé numériquement par une comparaison des résultats EI/EF. Pour une meilleure détection, il est opportun de saturer magnétiquement la pièce. Le matériau ferromagnétique est alors caractérisé par une courbe B(H) non-linéaire. Par conséquent, la deuxième partie de la thèse a été consacrée à la mise en œuvre du modèle en régime non linéaire qui tient compte de cette caractéristique.Différentes méthodes de discrétisation ont été étudiées afin de réduire le nombre d'inconnues et le temps de calcul. L'originalité de la thèse réside dans l'utilisation des fonctions d'interpolation d'ordre élevé (polynôme de Legendre) pour une discrétisation des équations intégrales par une approche de type Galerkin. Les premiers essais de validation numérique de ce modèle ont été effectués sur un système MFL simplifié. Des premiers essais de validation expérimentale pour des données obtenues par EF ont été effectués en deux phases : La première a consisté à vérifier le distribution du champ magnétique pour un tube sain et en régime magnétostatique. La deuxième phase a consisté à calculer la réponse d'un défaut dans le tube ferromagnétique en tenant en compte les effets éventuels de la rotation du circuit magnétique par rapport au tube. / The principle of the non destructive testing by magnetic flux leakage (MFL) is to magnetize the part to be inspected by a magnetic field and to detect a flaw thanks to magnetic leakage field lines due to the strong decreasing of the magnetic permeability in the flawed region. In order to improve the performance of detection, the CEA and the Vallourec society collaborate to develop a numerical model dedicated to the virtual NDT of longitudinal defects in ferromagnetic tubes. The experimental system includes a magnetic circuit rotating at a constant speed around the tube to be inspected. The modeling task is started without considering the effects of the rotational speed, so the magnetostatic regime is considered to solve the modeling problem. In the framework of this thesis, we propose to compare a semi-analytical approach based on the formalism of integral equations method (IEM) and a purely numerical approach using finite element method (FEM).In the first part of this thesis, the theoretical formalism was established. A first simple discretization scheme is been implemented in the linear regime considering a constant magnetic permeability. This first numerical model has been validated for a simplified MFL configuration extracted and modified from the literature.For better detection, it is wishable to magnetically saturate the piece under-test. The ferromagnetic material is then characterized by a B(H) curve. Therefore, the second part of the thesis was devoted to the implementation of the model in the non-linear regime that takes into account this non-linear characteristic. Different discretization schemes have been studied in order to reduce the number of unknowns and the computational time. The originality of the thesis lies in the use of basis function of high order (Legendre polynomials) associated to a Galerkin approach for the discretization of integral equations. The first numerical result has been validated on a simplified MFL system. The first results of the experimental validation based on simulated data obtain by FEM have been performed in two steps. The first one consists to verify the distribution of the magnetic field for a ferromagnetic tube without any defect and in the magnetostatic regime. The objective of the second one was to compute the response of the flaw and to evaluate the effects of the rotational speed of the magnetic circuit around the tube.