In CPS development and production environments, tightly integrated processes include different engineering disciplines, development and production departments, and software tools working together, where all of the technical engineering processes become strictly intertwined. CPS development and production toolchains have a highly heterogeneous nature, and supporting toolchain architects is necessary for improving the understanding of the interrelationships between tools. To this end, this thesis mainly concentrates on the interoperability of CPS toolchains with an ambition to improve the understanding of interoperability. A literature survey was conducted to analyze the literature on interoperability with an aim to understand how the interoperability is assessed. Findings of the literature review showed that the existing methods mainly use maturity-like assessment models to assess interoperability and they focus on selective aspects of interoperability. These models use distinct levels and do not guide the stakeholders on how to improve the current state of interoperability. This revealed the need for a more flexible approach for assessing interoperability of CPS toolchains. A case study was developed and exercised with an ambition to test the applicability of the visualization approach. In total, three different visualization techniques were evaluated: circular ideogram, node-link diagram, and balloon layout with a clustering algorithm as an extended version of node-link diagram. This thesis concluded by highlighting that data visualizations and visual analytics are not only a method for understanding the interoperability of CPS toolchains, but also a necessity. Data visualization approaches create many opportunities to make interoperability finally visible and the CPS industry should focus its effort on appropriate data collection, usage, and sharing methods in order to best use data visualization and visual analytics technologies. / Cyber-fysiska system (CPS) är ett resultat av mångfacetterade produktutvecklingsprocesser, som innefattar flerdimensionell komplexitet. I CPS:s utvecklings- och produktionsmiljöer, innefattar dessa tätt integrerade processer olika tekniska discipliner, utvecklings- och produktionsavdelningar, och programvaruverktyg som arbetar tillsammans, där alla tekniska ingenjörsprocesser blir strikt sammanflätade. Beslut som fattas av en intressent kan således ha en inverkan på andra intressenter. Verktygskedjor för CPS:s utveckling och produktion har därför en mycket heterogen karaktär, och det är därför nödvändigt med stödjande utvecklare av verktygskedjan för att förbättra förståelsen av sambanden mellan verktyg. För detta ändamål fokuserar denna avhandling främst på interoperabiliteten hos CPS:s verktygskedjor, med ambitionen att förbättra förståelsen för interoperabilitet och, som en följd, vägleda verktygskedjans utvecklare att fatta kostnadseffektiva och hållbara beslut baserade på förbättrad förståelse. En litteraturundersökning genomfördes för att analysera litteratur om interoperabilitet med syfte att förstå hur interoperabilitet bedöms. Resultaten av litteraturgenomgången visade att de befintliga metoderna huvudsakligen använder mognadsliknande bedömningsmodeller för att bedöma interoperabiliteten, och de fokuserar på selektiva aspekter av interoperabiliteten. Dessa modeller använder olika nivåer och vägleder inte intressenterna i hur det aktuella läget för interoperabilitet kan förbättras. Detta visade att det behövs en mer flexibel inställning för att bedöma interoperabiliteten av CPS:s verktygskedjor. Den systematiska litteraturöversikten avslutades genom att tydliggöra att visualisering och visuell analys visar lovande möjligheter för att externalisera den kunskap som nås av bedömningsmodeller med de möjligheter som visualiseringar kan ge. För att studera situationen gällande interoperabilitet i utvecklingen av CPS, utvecklades och genomfördes en fallstudie med ambitionen att testa visualiseringsmetodens tillämplighet. Fallstudien visade en verktygskedjas interoperabilitet, som används för att utveckla ett inbäddat slutet loopkontrollsystem med olika visualiseringstekniker. Totalt har tre olika visualiseringstekniker utvärderas: (a) cirkulärt ideogram, (b) nod- länkdiagram, och (c) ballonglayout med en klusteralgoritm som en utökad version av nodlänkdiagram, vilket gav vissa insikter om vilka tekniker som är mest lämpliga. Varje teknik diskuteras i detalj med ett interoperabilitetsperspektiv. De utmaningar och möjligheter som datavisualisering och visuella analyser ger förklaras dessutom för att synliggöra interoperabilitet. Denna avhandling avslutas med att lyfta fram att datavisualiseringar och visuella analyser inte bara är metoder för att förstå interoperabiliteten av CPS:s verktygskedjor utan också en nödvändighet. Datavisualiseringsmetoder skapar många möjligheter att slutligen göra interoperabilitet synlig och CPS- industrin bör fokusera sina ansträngningar på lämplig datainsamling, användande och delningsmetoder för att på bästa sätt utnyttja datavisualisering och visuella analystekniker. / <p>QC 20170203</p>

Les entreprises dont le cœur de métier est orienté vers la conception et la production de systèmes réputés complexes cherchent en permanence à améliorer leur position sur des marchés généralement mouvants face à la concurrence internationale. Une des solutions possibles consiste à déployer, améliorer et gérer des processus d'Ingénierie Système. Entre autres avantages, les entreprises peuvent par ce biais espérer gagner à la fois en termes de qualité de leurs prestations et de réactivité avec laquelle elles les fournissent.Ce déploiement nécessite cependant de porter une attention particulière aux besoins, capacités et motivations des ressources et organisations, tant internes qu'externes à l'entreprise, devant être impliqués dans le déploiement ou l'exécution de ces processus. De fait, la maîtrise de leur interopérabilité doit être considérée comme un facteur clef de la réussite du déploiement. Par ailleurs, comme le déploiement de processus appelle à structurer le travail, à modifier l'organisation et le fonctionnement même des entreprises, ces dernières doivent être en mesure de mettre en œuvre des efforts importants de compréhension, d'anticipation, d'adaptation voire de gestion du changement. Elles se trouvent alors souvent dépourvues face au peu de solutions pragmatiques disponibles et applicables réellement pour déployer des processus en milieu industriel.Pour répondre à ces besoins, les travaux de recherche développés au cours de cette thèse ont pour objectif de fournir un cadre méthodologique et technique permettant de lever certains des verrous empêchant ou freinant la réussite du déploiement de processus. Ils sont appliqués ici au déploiement de processus d'Ingénierie Système dans un contexte aéronautique. Ils concernent plus particulièrement les processus d'ingénierie de produits de type hélicoptère et des services associés.La contribution globale de ces travaux consiste donc à définir un guide méthodologique outillé pour assister le déploiement de processus dans une entreprise multi-sites et pluridisciplinaire. Ce guide inclut :• Une analyse comparative détaillée des standards de l'Ingénierie Système applicable en aéronautique,• Un méta-modèle permettant d'établir une vision/compréhension partagée des concepts nécessaires au déploiement,• Un modèle de maturité permettant de connaitre le degré de préparation de l'entreprise pour le déploiement,• Une méthodologie de déploiement formalisée (BPMN 2.0 et modèle formel sous-jacent) facilement automatisable et non ambiguë,• Une méthodologie d'évaluation de l'interopérabilité des ressources et des unités d'organisations à impliquer dans un processus à déployer, formalisée mathématiquement et outillée entre autres par des questionnaires types facilitant son application immédiate,• Des modèles de processus et en particulier celui de définition des exigences réalisé pour valider la méthodologie de déploiement,• Un ensemble cohérent et interopérable de solutions informatiques comprenant un moteur de workflow, des outils de modélisation, des outils d'évaluation de la maturité et de l'interopérabilité, une application récupérant la connaissance des modèles et un générateur de documents. / Companies whose primary business is the design and the supply of complex systems try to constantly improve their performances to be ahead of their international competitors. For this, a solution is to deploy, improve and manage Systems Engineering processes. Indeed, among other things, this may enable companies improving the quality of their services but also the reactivity with which they supply them.Nonetheless, this deployment requires paying a special attention to needs, abilities and motivations of resources and organisations, should they be internal or external to the company, likely to be involved in the deployment or execution of these processes. Thus, mastering their interoperability should be considered as an important need and should be considered as a key factor in the deployment.Moreover, since a process deployment implies to structure the work share, to modify the organisation and the functioning of enterprises, the latter must be able to carry out considerable effort to understand, anticipate, adapt and lead the change. However, they often experience difficulties considering the few pragmatic and applicable solutions available to directly deploy processes in industry.To meet these needs, this thesis research aims to supply a methodological and technical guide that enables getting over obstacles preventing or impeding the success of the deployment. It is here applied for the deployment of Systems Engineering processes in an aeronautics context. More precisely, this work focus on processes in charge of the design of helicopters along with services related to them.Consequently, the global contribution of this thesis consists in the definition of an equipped methodological guided to support the deployment of processes in a company that is multi-sites and multi-cultural. This guide includes:• A detailed comparative analysis of international Systems Engineering norms applicable in a aeronautics,• A meta-model that enables sharing a common vision/understanding of concepts required for the deployment,• A maturity model that enables appraising the readiness of a company for the deployment,• A formalised deployment methodology (BPMN 2.0 and an underlying formal model) that is unambiguous and that can be easily automated,• A methodology enabling the assessment of the interoperability of resources and organisation units to involve in a process to deploy, mathematically formalised and equipped with typical questionnaires to facilitate its immediate application,• Processes models and more particularly the one in charge of the stakeholders requirements definition to validate the deployment methodology,• A consistent and interoperable set of computer applications including a workflow engine, modelling tools, applications for the assessment of maturity and interoperability, an application to collect knowledge in models and a document generator.

L'interopérabilité entre les systèmes a été identifiée comme un problème majeur auquel sont confrontées les entreprises lorsqu’ils ont le besoin de collaborer avec d'autres organisations et de participer au sein d’un réseau d’entreprises. Pour atteindre une qualité d'interopérabilité supérieure et garantir une collaboration efficace, un certain nombre d'Exigences d'Interopérabilité (EI) doivent être satisfaites. Ainsi, l'interopérabilité doit être vérifiée et continuellement améliorée. L’Analyse de l’Interopérabilité (ANIN) est une manière de vérifier l’interopérabilité des systèmes. Cependant, en général, la notion « d’exigence » est implicite et présentée sous forme de critères d'évaluation dans les approches ANIN. Il a également été identifié que les interdépendances entre les EI ne sont pas explicitement définies. En effet, leurs interdépendances doivent être prises en compte car elles peuvent aider à identifier les impacts sur l'ensemble du système. De plus, la majorité des approches ANIN sont manuelles, ce qui est un processus laborieux et long qui dépend souvent des connaissances « subjectives » des experts. Dans ce contexte, cette recherche propose un Système d'Analyse de l'Interopérabilité basé sur la Connaissance (SAIC) pour soutenir la prise de décision au sein des entreprises en réseau. Une méthodologie « Design Science Research » (DSR) a été adoptée pour mener à bien la contribution proposée. Premièrement, une approche basée sur l’ingénierie des exigences a été adaptée pour obtenir des EI pertinentes, établir un lien entre les EI obtenues et les composantes du système concerné et définir les interdépendances entre les EI. Pour conceptualiser formellement les connaissances sur l’ANIN, en englobant l'ensemble des EI, les problèmes et solutions d'interopérabilité ainsi que leurs relations, nous avons proposé l’Ontologie de l'Analyse de l'Interopérabilité (OAI). Une approche d'Ingénierie Système basée sur des Modèles a été appliquée pour définir les concepts de l'ontologie. Un prototype du SAIC utilisant l'OAI comme modèle de connaissance a été développé sur une plate-forme Java. L'outil résultant peut exploiter les connaissances sur l'interopérabilité et les informations provenant de la situation actuelle des systèmes évalués pour identifier les problèmes et améliorations potentiels. La contribution proposée a été évaluée grâce à une étude de cas basée sur une véritable entreprise en réseau / Enterprise systems’ interoperability has been identified as a significant issue faced by enterprises, which need to collaborate with other companies and participate within Networked Enterprises. To achieve a higher quality of interoperability and ensure an effective collaboration, a certain number of Interoperability Requirements (IRs) should be satisfied. Thus, interoperability should be verified and continuously improved. A manner for verifying the enterprise systems’ interoperability is through the Interoperability Assessment (INAS). However, in general, the notion of “requirement” is implicit and presented as Interoperability Evaluation Criterion (IEC) in the INAS approaches. It also has been identified that the IEC interdependencies are not explicitly defined. Indeed, their interdependencies should be considered as they can support the identification of impacts on the overall system. Further, the majority of the INAS approaches are manual-conducted, which is a laborious and time-consuming process and in many times depends on the “subjective” knowledge of experts, which can be expensive in time and money when hiring external consultants. In this context, this research proposes a Knowledge-Based Interoperability Assessment System (KBIAS) for supporting decision-making within Networked Enterprises. A Design Science Research (DSR) methodology has been adopted for conducting the work. First, A Requirement Engineering (RE) approach has been adapted to elicit and define relevant IRs, which are father related with system’s components. Such IRs are used as IEC during the INAS process. To formally conceptualise the knowledge about the INAS (subsuming the set of IRs, interoperability problems and solutions), we proposed the Ontology of Interoperability Assessment (OIA). A Model-Based System Engineering approach has been applied for defining and organising the concepts of the proposed ontology. A prototype of the KBIAS using the OIA as its knowledge model has been developed in a Java platform. The developed tool can exploit the knowledge about interoperability issues and information from the as-is situation of the assessed systems for identifying potential problems and improvements. The contribution proposed in this research has been evaluated through a case study based on a real Networked Enterprise