Les travaux, présentés dans ce manuscrit de thèse, s’inscrivent dans les courants de l’Ingénierie Système et de la synthèse assistée par ordinateur. Une méthodologie outillée à l’aide d’un logiciel a été développée et est détaillée. Le processus de synthèse semi-automatisé est organisé en trois grandes phases : l’extraction du besoin et sa transformation en spécification du système à concevoir, une synthèse des architectures logiques et une analyse des architectures physiques. L’extraction et la transformation du besoin est une étape manuelle dans la méthodologie proposée. Elle s’appuie grandement sur des travaux précédents du champ de l’Ingénierie Système. L’objectif de ce sous-processus est d’obtenir une représentation du système compréhensible par l’utilisateur et interprétable par le logiciel. Les parties prenantes, les situations de vie que le système va rencontrer, les besoins, les exigences et les interfaces avec l’environnement sont modélisés. La synthèse, ou génération, des architectures logiques, est le résultat de la modélisation précédente du système. Un code C++ permet la transformation du problème de synthèse en expressions mathématiques qui sont résolues à l’aide d’un solveur CSP entier. Le résultat de ce sous-processus est un ensemble de graphes, triés par famille. Ces graphes représentent toutes les architectures logiques viables vis-à-vis des connexions entre ses sous-systèmes. L’analyse des architectures physiques permet d’écrire, pour chaque architecture logique, un système d’équations physiques non-linéaires mais non différentielles pour une première étape de prédimensionnement. Ces systèmes, écrits sous la forme de problèmes d’optimisation sont ensuite résolus à l’aide d’un solveur CSP réel. Au final, les architectures sont triées suivant la valeur d’une variable d’état commune à toutes les alternatives. / The research work presented in this thesis is related to the System Engineering field and the computer aided synthesis field. A methodology realized by a newsoftware is developed and introduced. The synthesis process is semi-automated and is devided into three phases: the need extraction and its translation into system requirements, a logical architecture synthesis and a physical architecture analysis. The need extraction and its translation into system requirements are highly inspired from previous work from the System Engineering field. Nevertheless, the objective, at this step, is to provide the software and the user with a unique model understandable to both. Stakeholders, life situations, needs, requirements and interfaces with the environment are modelized. The logical architecture synthesis, or logical architecture generation, is in accordance with the models we build previoulsy. That is to say that all logical architectures are instantiations of the system requirements expressed before. A C++ code translates this model into mathematical equations solved by an integer CSP solver. The result of this part of the methodology is a set of graphs, ranked by family. These graphs are views of the logical architectures. They express all the possible links between the sub-systems of the architectures. The physical architecture analysis step is an automated equation writer. The equations are non-linear and non differential and they are written for each logical architecture generated at the previous step. They are used for a first step of pre-sizing. These systems are then solved by a CSP solver for real numbers through an optimization. At the end, all the feasible architectures are ranked according to a unique state variable that iscommon to all possible solutions.

Avec l'évolution des techniques de reconfiguration partielle pour les systèmes embarqués, le besoin d'un modèle de description capable de représenter ces comportements émerge. La plupart des outils disponibles sur le marché, tant académiques qu'industriels, ne prennent pas en compte la modélisation des systèmes à structure dynamique. L'émergence de la modélisation à évènements discrets, notamment Discrete Event System Specification (DEVS), propose des outils formels pour représenter et simuler des modèles. DEVS propose déjà des extensions capable de prendre en compte la modélisation à structure dynamique. Néanmoins, les possibilités offertes par ces extensions rencontrent certaines limites. En particulier, elles ne proposent pas de moyen de gérer l'aspect contexte des composants. De plus, les formalismes existants n'ont pas intégré l'approche ingénierie système. L'ingénierie système met en place des procédures intéressantes, notamment l'architecture dirigée par les modèles, qui propose de séparer la description du système de sa plateforme d'exécution. Un modèle spécifique à une plateforme est ainsi la résultante d'un modèle de description de la plateforme combiné avec un modèle d'application indépendant de toute plateforme. Pour répondre à ces besoins, nous proposons un formalisme de description de modèles prenant en compte ces deux aspects : la modélisation à structure dynamique, et l'ingénierie système. Ce formalisme est basé sur DEVS, et nommé Partially Reconfigurable Discrete Event System Specification (PRDEVS). PRDEVS permet de représenter les modèles à structure dynamique indépendamment de la plateforme de simulation. L'approche présentée peut être appliquée à différents types de cibles, tels le logiciel et le matériel reconfigurable. Cette thèse présente des mises en oeuvre du formalisme abstrait sur ces deux types de plateformes, démontrant ainsi sa capacité à être déployé sur des plateformes réelles. / As partially reconfigurable technologies develop for embedded systems, the need for a proper model to describe its behavior emerges. Most academic and industrial tools available on the market does not address dynamic structure modeling. The arising of discrete-event modeling, in particular, Discrete Event System Specification (DEVS), propose formal tools for representing and simulating models. DEVS has already extension which handles the dynamic structure modeling. However, the capacities of these existing formalism have limitations. Notably, they do not address the components context aspect. Also, the existing formalisms have not integrated the system engineering approach. System engineering brings beneficial procedures, notably modeldriven architecture which proposes to separate the system description from its execution target. A platform-specific model is formed from a platformdescription model coupled with a platform independent model. To address these needs, we propose a model description formalism which takes into consideration these two aspects: dynamic structure modeling and system engineering. This formalism is based on DEVS and called Partially Reconfigurable Discrete Event System Specification (PRDEVS). PRDEVS allows to represent dynamic-structure models independently from the simulation platform. The presented approach can be applied to different types of targets, such as software and reconfigurable hardware. This thesis addresses these two kinds of platforms, demonstrating the suitability of the abstract formalism to actual platforms.

Un des fondements de l’Ingénierie Système réside dans la compréhension et la formulation des exigences de différentes parties prenantes pour mieux maîtriser et contrôler la complexité du système à concevoir. L’évaluation des performances du système nécessite par ailleurs la prise en compte des expertises interdisciplinaires qui peuvent être incertaines, voire incomplètes. La prise en compte des interdépendances entre plusieurs domaines d’activité dans la conception et le déploiement d’un système de mobilité urbaine durable est un bon exemple, qui reflète la problématique de l’élicitation des connaissances pluridisciplinaires, puis de leur utilisation dans la définition d’une architecture distribuée. Le renouveau de la mobilité urbaine a en effet fait émerger des alternatives aux déplacements habituels, faisant place à la mobilité douce, à l’usage raisonnée des véhicules personnels, à la multimodalité et à l’inter-mobilité. Dans ce contexte, la convergence tend à s’opérer vers des plateformes numériques offrant des services variés, à la demande, adaptés aux besoins immédiats des usagers. Ces services sont généralement développés par des acteurs du secteur privé qui détiennent à la fois l’expertise et la technologie pour les déployer. Il s’agit donc, pour les pouvoirs publics considérés comme organe de contrôle et de régulation de la mobilité, de définir quelles infrastructures et quels services offrir et selon quelles modalités. Le travail de recherche effectué dans cette thèse vise à proposer puis valider, une démarche générale pour accompagner les décideurs des villes dans la conception et la mise en place des solutions de mobilité du futur. Un cadre méthodologique prenant en compte l’aide au choix de politiques et de partenaires cibles a pour cela été proposé, basé sur une méthode d’analyse multicritère, dans un cadre de décision collective et sous incertitude. Un méta-modèle d’un système de mobilité durable a ensuite été élaboré, à partir des connaissances élicitées d’un ensemble de standards et référentiels, de même qu’une architecture distribuée du système. Afin d’étudier la faisabilité de l’implémentation de cette architecture, en considérant le point de vue de l’aide à la décision, une roadmap de mise en œuvre a enfin été proposée, basée sur un système de recommandations visant à optimiser la réalisation de projets de mobilité nouveaux

La présente thèse porte sur la collaboration dans la conception d'un système dans un cadre Ingénierie Système (IS) et plus spécifiquement, nous nous sommes intéressés à la phase de définition des besoins du système ou processus d'Ingénierie des exigences, qui est la toute première phase dans l'Ingénierie Système. L'Ingénierie des Exigences est un processus assez complexe au cours duquel les exigences qu'un système doit satisfaire sont définies à partir de besoins provenant des différentes parties prenantes concernées de près ou de loin par la réalisation du système. Nous faisons la distinction entre le besoin qui est la perception qu'un utilisateur final a du système et l'exigence qui est la vision en termes techniques qu'un concepteur ou un développeur a du système. Le processus d'élicitation des besoins et de leur transformation en exigences techniques est un travail assez critique et demande l'implication de toutes les parties prenantes. Sur la base de ce constat, nous avons adopte une approche collaborative pour traiter la complexité de ce processus. Etant donne la nature du problème, nous avons distingue deux domaines de définition de nos travaux : l'Ingénierie des Exigences à travers l'Elicitation des Exigences et la Collaboration. Nous avons ainsi adopte une démarche dans laquelle nous faisons la distinction entre les problèmes d'Ingénierie et ceux de la collaboration. Nous proposons une méthodologie pour l'Elicitation Collaborative des exigences qui distingue deux types de processus : les processus d'Ingénierie des exigences et les processus de collaboration. Les processus de collaboration sont définis à l'aide de l'Ingénierie de la Collaboration en s'appuyant sur les taches d'Ingénierie identifiées aux travers de processus d'Ingénierie fournis par des normes, en l'occurrence la norme EIA-632. Des expérimentations de notre méthodologie ont été réalises avec des étudiants en utilisant l'outil ThinkTank de GroupSystems et un prototype de spécification c ollaborative des exigences appelé SPECJ que nous avons développé.

La concurrence impose aux entreprises des contraintes de plus en plus élevées en termes de qualité des produits. Elles sont soumises à des exigences de plus en plus contraignantes. Ainsi, pour ces entreprises modernes, le succès implique de produire le meilleur produit, au plus bas prix, juste à temps. L'INCOSE (Association Internationale de l'Ingénierie Système) a émit le slogan " faster, Better, and Cheaper ". Dans ce contexte, la gestion conjointe des produits et des processus de production est devenue une nécessité. Le développement de produits doit impérativement tenir compte des souhaits et des demandes des clients, cela dans un temps très court dépendant du marché. Ainsi notre travail rentre dans le contexte d'intégration des processus d'ingénierie système dans le cadre de l'industrie manufacturière et plus principalement la gestion du cycle de vie du produit connu sous l'appellation PLM (product Lifecycle management). Le travail a été orienté selon trois axes. Le premier a porté sur l'application de concepts et de normes d'ingénierie système à la production manufacturière et plus précisément sur les processus recommandés par la norme EIA 632 largement utilisée, notamment dans l'aéronautique et le spatial. Le deuxième axe a porté sur la possibilité de lier les processus concernant le produit final et les produits capacitants ou contributeurs (Enabling Products). Les travaux sont orientés sur l'adoption du concept PLM comme une technique pour assurer ce besoin de lien. Le troisième axe, qui est un prolongement des deux précédents, a pour objectif de développer le processus de gestion des évolutions des exigences et leurs impacts sur le système de production et autres produits capacitants (maintenance, retrait, etc.). L'approche qui considère ces trois axes est illustrée sur une étude de cas. Ce travail a permis l'applicabilité des concepts et des normes ingénierie systèmes à l'industrie manufacturière et offre un cadre générique pour des extensions éventuelle s. Une partie de ces extensions a été traitée au niveau de l'intégration du changement d'exigences dans le PLM.

L'introduction des nouvelles technologies de l'information et de la communication dans les systèmes automatisés entraîne un accroissement de la complexité des fonctions qu'ils supportent. Cet accroissement de la complexité a un impact sur la sécurité des systèmes. En effet, leurs propriétés ne sont plus réductibles aux propriétés de leurs constituants pris isolément mais émergent d'un réseau d'interactions entre ces constituants qui peut être à l'origine de comportements néfastes et difficiles à prévoir. <br />Notre conviction est que le développement sûr de ces systèmes doit combiner des approches pragmatiques orientées " système ", qui tiennent compte du facteur d'échelle réel d'une automatisation pour appréhender le fonctionnement global du système et son architecture, avec des approches plus formelles qui permettent de s'assurer que les propriétés intrinsèques des constituants contribuent efficacement au respect des exigences " système " formulées par les utilisateurs. <br />Le travail présenté dans ce mémoire définit donc une approche méthodologique basée sur le formalisme SysML (System Modeling Language) permettant l'identification, la formalisation et la structuration d'exigences globales relatives à un système, puis leur projection, sous forme de propriétés invariantes, sur une architecture de composants. La vérification des exigences de sécurité, repose alors, d'une part, sur un raffinement prouvé (par theroem proving) des exigences " système " permettant d'établir leur équivalence avec un ensemble de propriétés intrinsèques relatives à chacun des composants, et d'autre part, sur la vérification formelle (par model checking) de ces propriétés intrinsèques.

Les travaux de cette thèse se situent à l'intersection des domaines de l'ingénierie système et de l'ingénierie dirigée par les modèles. Un ensemble de processus d'ingénierie des exigences et de conception architecturale système a été proposé. Sur la base du standard MDA, des méthodes de conception et de validation ont été définies et mise en Suvre autour d'un modèle d'information. Celui-ci a été réalisé comme un profil du langage SysML, et permet la vérification formelle de règles et de propriétés systèmes au moyen de contraintes OCL. Afin de compléter la méthodologie sur le plan de la validation système, des modèles en langage VHDL-AMS ont été intégrés à la méthodologie. Cette approche nous a amené à étudier un certains nombre de transformations de modèles, pour lesquelles nous avons choisi de travailler au niveau des métamodèles.

Le travail de la thèse porte sur la problématique de l'évolution des exigences et son analyse d'impact sur la sécurité. Au cours du développement des systèmes, les parties prenantes demandent l'application des évolutions, afin d'améliorer leurs fonctionnalités. L'occurrence d'une évolution affecte plusieurs aspects comme: la sécurité, le coût du développement et les délais. Lorsque le développement concerne un système complexe où le nombre des exigences est de l'ordre de dizaines de milliers, alors les demandes des évolutions rendent l'analyse d'impact du changement de plus en plus difficile. Malheureusement, la problématique de l'évolution des exigences n'est pas encore complètement résolue en milieu industriel. Notre étude est située dans le contexte d'ingénierie système et ingénierie des exigences, en intégrant des modèles formels et outils supports associés pour la vérification des propriétés de sécurité. La méthodologie est basée sur la norme industrielle de l'EIA-632 et sur le format VOLERE d'ingénierie des exigences en intégrant un modèle de traçabilité. De cette démarche ingénierie système, on a développé une méthodologie associée et un système d'information du processus de changement/évolution des exigences. Enfin, ce travail présente la méthodologie de la recherche d'impact lors de la demande de changement, et les outils qui supportent la méthodologie de la recherche d'impact, en se basant sur la méthode formelle (RAISE), qui nous permet d'analyser l'impact de l'évolution sur la sécurité.

La conception d'un système complexe est une étape cruciale. Ce constat est particulièrement vrai dans le cadre de la conception de systèmes mécatroniques, multi technologies et nécessitant une approche pluridisciplinaire et collaborative. Nous nous plaçons ici dans le cadre de l'Ingénierie Système (IS) qui se focalise sur la définition des besoins et des exigences, la recherche de concepts, puis la définition d'architectures fonctionnelles et organiques d'un système. L'IS promeut pour cela un certain nombre de concepts, de processus et une démarche maintenant éprouvés en industrie, souvent normalisés tout en faisant l'objet de nombreux travaux de recherche. En particulier, nous nous intéressons ici à un processus dit support de l'IS, le processus d'évaluation. Nous nous focalisons particulièrement sur l'évaluation de l'efficacité puis la comparaison des différentes solutions d'architectures fonctionnelles et organiques d'un système mécatronique qui émergent invariablement de la conception. Le but de ce processus est de guider et d'aider au choix, parmi ces architectures candidates mais souvent incomplètes ou à tout le moins immatures en début de conception, d'une solution permettant de maximiser la satisfaction des besoins de toutes les parties prenantes du système. La mise en œuvre de cette évaluation se heurte à plusieurs difficultés. Tout d'abord, la vision consensuelle et unifiée de données, informations et connaissances mais aussi des activités proprement dites d'évaluation, ‘au-dessus' des métiers impliqués dans la conception, reste limitée. C'est un premier verrou traité dans ces travaux car son absence est ainsi un frein à l'évaluation objective et partagée d'une solution. Pour contribuer à cette vision consensuelle, il est proposé un modèle conceptuel des données de l'évaluation en ingénierie système. Ensuite, l'estimation des conséquences des choix tout au long d'une conception résolument itérative et qui procède donc à petits pas, le traitement d'objectifs multiples voire contradictoires et la prise en compte de l'incertitude propre à la conception sont autant de problèmes classiques en conception. C'est le verrou central sur lequel ce travail a porté. L'estimation des choix de conception est traitée d'abord par une formalisation des liens de traçabilité entre les exigences, fonctions et composants de la conception. Cette formalisation est un préalable à la détection et correction des incohérences des liens de traçabilité en vue de l'identification automatisée des impacts potentiels des choix d'élément d'architecture sur les différents critères de satisfaction du système à faire. Une articulation entre les modèles de comportement du système à faire et les modèles de décision est ensuite proposée pour agréger le degré de satisfaction des objectifs de la conception, et ainsi assurer la gestion des objectifs multiples voire opposés des parties prenantes. Des techniques d'évaluation qualitative sont enfin proposées afin de trier les alternatives de solution de conception selon leur degré de satisfaction en tenant compte du niveau de maturité croissant mais incertain de la solution. Enfin, on peut regretter le manque d'un environnement de travail permettant de modéliser le système et de procéder aux analyses et évaluations de la solution. Les deux contributions synthétisées ci-dessus ont donc fait l'objet d'une intégration dans un atelier d'IS existant, offrant ainsi un continuum entre activités de conception et activités d'évaluation. Le résultat est ainsi un guide méthodologie outillé pour l'évaluation de systèmes mécatroniques en conception. Mots clés : Ingénierie Système, conception, évaluation, système complexe, système mécatronique, solution d'architecture, traçabilité, analyse qualitative. / The design step of a complex system is crucial. This observation is particularly true, when considering mechatronic, multi-technological systems, which require a multidisciplinary and collaborative approach. Our work is based on the System Engineering (SE) framework, which focuses on the needs and requirements definition, the conceptual design, and the definition of functional and organic architectures of a system. For this purpose, SE promotes some concepts, processes, and an approach currently widely practiced in the Industry, and even standardized while being a much studied research topic. More precisely, we are interested in a so-called support process of SE, the evaluation process. We are focusing on the effectiveness evaluation and then on the comparison of different functional and organic architecture solutions of a mechatronic system, which emerge invariably from the design. The goal of this process in guiding and helping to choose a solution among candidate architectures, often incomplete or immature in preliminary design, allows maximizing the satisfaction of the systems' stakeholders needs. However, the implementation of this evaluation faces to many difficulties. The consensual and unified vision of data, information, knowledge, and evaluation activities, above specialized engineering teams involved in the design, is still limited. Indeed, the lack of this common vision limits the objective and shared evaluation of a given solution. This is a first problem that we are addressing in our work. To contribute to this common vision, a conceptual model of evaluation data in SE is proposed.Subsequently, the estimation of the choices made all along such an iterative design, and which therefore proceeds by small steps, the management of multiple objectives sometimes contradictory and the consideration of the uncertainty inherent to design are classic problems in design. This constitutes the main problem which our work is answering. The estimation of the consequences of design choices on the system performance is first addressed by a formalization of traceability links between the requirements, functions, and components of the design. This formalization is prior to the detection and correction of inconsistencies of traceability links, in order to automatically identify potential impacts of the architectures' elements choices on different satisfaction criteria of the System Of Interest (SOI). An articulation between the SOI behavioral models and decision models is afterwards proposed for aggregating the satisfaction level of the design objectives, and then ensure the management of multiple and even contradictory objectives of the designers. Qualitative evaluation techniques are finally proposed for sorting the alternative design solutions according to their satisfaction level while considering the increasing maturity level but uncertain of the solution.Lastly, we often denote the lack of integrated environment for modeling the system and proceeding to the analyses and evaluations. The two above synthesized contributions have been integrated into a SE framework, offering a continuum between design activities and evaluation ones. The result is thereby a methodological and tooled guide for mechatronic systems evaluation during design. Keywords: System Engineering, design, evaluation, complex systems, mechatronics, architecture solution, traceability, qualitative analysis.

Aujourd’hui, les industriels cherchent de nouvelles approches qui permettent aux concepteurs d’adapter efficacement les systèmes de fabrication face à un environnement incertain et perturbant. Le concept de la reconfiguration des systèmes de fabrication est proposé afin de trouver des solutions face à l’occurrence d’aléas au sein d’un système manufacturier complexe. Dans la littérature, l’intégration de la reconfiguration dès la phase de conception dans le cadre de l’ingénierie système en suivant une approche basée sur des normes et paradigmes commence à faire appel à plusieurs nouveaux travaux de recherche. Nous proposons une nouvelle approche basée sur l’ingénierie système pour concevoir les systèmes de production manufacturiers pour qu’ils soient reconfigurables du point de vue partie opérative et commande, en assurant la cohérence entre les modèles et en respectant les exigences de l’industrie nouvelle. Cette approche vise à guider le concepteur pour modéliser les systèmes manufacturiers en intégrant le concept de la reconfiguration dans le cadre de l’ingénierie système.Ensuite, les modèles développés des différents points de vue sont transformés suivant des règles prédéfinies vers des modèles d’architectures holoniques qui permettent de combler l’écart entre le processus de modélisation conceptuelle et le processus de simulation. Ces modèles holoniques sont exécutables par la technologie des systèmes multi-agents afin de faciliter leurs implémentations. Après, le concepteur sera capable de vérifier et valider par simulation les critères et les caractéristiques clés de la reconfiguration dans le but d’atteindre les indicateurs demandés. Les résultats obtenus montrent une réactivité efficace aux aléas internes et externes avec la configuration la plus adéquate. Nous avons choisi un système manufacturier reconfigurable qui est le système de conversion d’acier afin d’illustrer l’utilité et la fiabilité de l’approche proposée dans différents scénarios. / Today, manufacturers are seeking new approaches that allow designers to effectively adapt manufacturing systems to an uncertain and disruptive environment. The concept of the reconfiguration of manufacturing systems is proposed in order to find solutions to the occurrence of disturbances within a complex manufacturing system. In the literature, integrating reconfiguration early in the design phase into system engineering by following an approach based on standards and paradigms is beginning to call for several new research studies. We propose a new approach based on system engineering to design manufacturing production systems so that they are reconfigurable from the point of view of operative and control part, ensuring coherence between models and meeting the requirements of the new industry. This approach is intended to guide the designer in modeling the manufacturing systems by integrating the concept of reconfiguration into system engineering.Then, developed models of different viewpoint are transformed according to predefined rules into holonic architecture models that bridge the gap between the conceptual modeling process and the simulation process. These holonic models are executable by the technology of multi-agent systems to facilitate their implementations. Afterwards, the designer will be able to verify and validate by simulation the criteria and key features of the reconfiguration in order to achieve the requested indicators. The obtained results show an effective reactivity to the internal and external disturbances with the most adequate configuration. We chose a reconfigurable manufacturing system which is the steel converter system to illustrate the utility and reliability of the proposed approach in different scenarios.