À l'ère de systèmes électroniques intégrés, les ingénieurs font face au défi de concevoir et de tester des systèmes hétérogènes contenant des parties analogiques, numériques, mécaniques et même du logiciel embarqué. Cela reste très difficile car il n'y a pas d'outil unifiant ces différents domaines de l’ingénierie. Ces systèmes, dits hétérogènes, ont leur comportement exprimées et spécifiés par plusieurs formalismes, chacun particulier à son domaine d'expertise (diagramme de machines à état pour les circuits de contrôle numérique, équations différentielles pour les modèles mécaniques, ou bien des réseaux de composants pour les circuits analogiques). Les outils de conception existants sont destinés à traiter des systèmes homogènes en utilisant un seul formalisme à la fois. Dans l'état actuel, l'industrie se bat avec des problèmes d'intégration à chaque étape de la conception, à savoir la spécification, la simulation, la validation et le déploiement. L'absence d'une approche qui comprend les spécifications des interfaces inter-domaines est souvent la cause des problèmes d'intégration de différentes parties d'un système hétérogène. Cette thèse propose une approche pour faire face à l'hétérogénéité en utilisant SysML comme outil fédérateur. Notre proposition repose sur la définition d'une sémantique explicite pour les diagrammes SysML ainsi que des éléments d'adaptation sémantiques capables d'enlever les ambiguïtés dans les interfaces multi-domaines. Pour démontrer l'efficacité de ce concept, un ensemble d'outils basés sur l'ingénierie dirigé par les modèles a été construit pour générer du code exécutable automatiquement à partir des spécifications. / In the era of highly integrated electronics systems, engineers face the challenge of designing and testing multi-faceted systems with single-domain tools. This is difficult and error-prone. These so called heterogeneous systems have their operation and specifications expressed by several formalisms, each one particular to specific domains or engineering fields (software, digital hardware, analog, etc.). Existing design tools are meant to deal with homogeneous designs using one formalism at a time. In the current state, industry is forced to battle with integration issues at every design step, i.e. specification, simulation, validation and deployment. Common divide-to-conquer approaches do not include cross-domain interface specification from the beginning of the project. This lack is often the cause of issues and rework while trying to connect parts of the system that were not designed with the same formalism. This thesis proposes an approach to deal with heterogeneity by embracing it from the beginning of the project using SysML as the unifying tool. Our proposal hinges on the assignment of well-defined semantics to SysML diagrams, together with semantic adaptation elements. To demonstrate the effectiveness of this concept, a toolchain is built and used to generate systems simulation executable code automatically from SysML specifications for different target languages using model driven engineering techniques.

À l'ère de systèmes électroniques intégrés, les ingénieurs font face au défi de concevoir et de tester des systèmes hétérogènes contenant des parties analogiques, numériques, mécaniques et même du logiciel embarqué. Cela reste très difficile car il n'y a pas d'outil unifiant ces différents domaines de l’ingénierie. Ces systèmes, dits hétérogènes, ont leur comportement exprimées et spécifiés par plusieurs formalismes, chacun particulier à son domaine d'expertise (diagramme de machines à état pour les circuits de contrôle numérique, équations différentielles pour les modèles mécaniques, ou bien des réseaux de composants pour les circuits analogiques). Les outils de conception existants sont destinés à traiter des systèmes homogènes en utilisant un seul formalisme à la fois. Dans l'état actuel, l'industrie se bat avec des problèmes d'intégration à chaque étape de la conception, à savoir la spécification, la simulation, la validation et le déploiement. L'absence d'une approche qui comprend les spécifications des interfaces inter-domaines est souvent la cause des problèmes d'intégration de différentes parties d'un système hétérogène. Cette thèse propose une approche pour faire face à l'hétérogénéité en utilisant SysML comme outil fédérateur. Notre proposition repose sur la définition d'une sémantique explicite pour les diagrammes SysML ainsi que des éléments d'adaptation sémantiques capables d'enlever les ambiguïtés dans les interfaces multi-domaines. Pour démontrer l'efficacité de ce concept, un ensemble d'outils basés sur l'ingénierie dirigé par les modèles a été construit pour générer du code exécutable automatiquement à partir des spécifications. / In the era of highly integrated electronics systems, engineers face the challenge of designing and testing multi-faceted systems with single-domain tools. This is difficult and error-prone. These so called heterogeneous systems have their operation and specifications expressed by several formalisms, each one particular to specific domains or engineering fields (software, digital hardware, analog, etc.). Existing design tools are meant to deal with homogeneous designs using one formalism at a time. In the current state, industry is forced to battle with integration issues at every design step, i.e. specification, simulation, validation and deployment. Common divide-to-conquer approaches do not include cross-domain interface specification from the beginning of the project. This lack is often the cause of issues and rework while trying to connect parts of the system that were not designed with the same formalism. This thesis proposes an approach to deal with heterogeneity by embracing it from the beginning of the project using SysML as the unifying tool. Our proposal hinges on the assignment of well-defined semantics to SysML diagrams, together with semantic adaptation elements. To demonstrate the effectiveness of this concept, a toolchain is built and used to generate systems simulation executable code automatically from SysML specifications for different target languages using model driven engineering techniques.

Avec la complexité croissante des systèmes à analyser ou à concevoir, les modèles sont passés du statut de simple outil à celui d'objet complexe, considéré lui-même comme un système à analyser, concevoir et valider. Les travaux présentés s'inscrivent dans le cadre de l'ingénierie dirigée par les modèles, et ont pour objectif de décrire précisément le comportement des systèmes, tout en prenant en compte l'hétérogénéité des modèles utilisés. Cette hétérogénéité est due à la diversité des métiers et des méthodes de modélisation qui interviennent dans la conception de systèmes complexes. Une approche est proposée pour utiliser conjointement plusieurs méthodes de modélisation dans un même modèle.

Les implants cochléaires permettent aux personnes atteintes de surdité profonde de percevoir des sons. La modélisation comportementale de la partie externe de l’implant a été réalisée avec le logiciel Matlab. L’étude du canal de transmission et sa modélisation utilisant des modèles électriques de tissus biologiques a été ensuite effectuée ainsi que l’étude du niveau de bruit introduit par le canal. Deux types de modulations différentes sont réalisés à l’émission chacune nécessitant un oscillateur. L’étude théorique et la création d’un nouveau modèle afin d’évaluer le bruit de phase ont été proposés. L’extraction du jitter à partir du bruit de phase et son impact sur la chaine de réception complète a été estimée. La compréhension précise et la modélisation des différentes parties de l’oreille humaine qui conduisent à la stimulation des terminaisons nerveuses sont décrites. Par la suite nous avons développé un nouveau modèle mécanique de l’organe de Corti et du déplacement des stéréociles, que nous avons validé à l’aide de données provenant d’expériences physiques. La modélisation mathématique de la synapse entre les cellules ciliées et les fibres nerveuses a été réalisée, afin d’obtenir le stimulus électrique relatif à un son perçu quelconque. De plus un nouveau modèle analogique décrivant la propagation de l’information nerveuse a été développé. En se basant sur la spectroscopie d’impédance électrochimique des tissus biologiques, nous avons créé un modèle électrique du fil d’électrodes inséré dans la cochlée. / Cochlear implants are used by severely deaf people for partial hearing sensation. Behavioral modeling of the external part of the cochlear implant was first performed using the software Matlab. Then the propagation channel was modeled using electrical analogy of the biological tissues. Noise extraction of the propagation channel was performed in order to obtain the specifications for the RF receiver. Two types of diverse modulations are performed in the transmitter each one requiring an oscillator. The theoretical study and the creation of a new model allowing phase noise estimation is also proposed in this document. Jitter estimation from phase noise was performed and significantly impacted the overall chain transmission, suggesting oscillators blocks optimization. The accurate heterogeneous modeling of the various part of the internal ear leading to auditory nerve excitation was developed. Then a new mechanical equivalent of the organ of Corti and stereocilia displacement was developed and confirmed by physical experiments. The synapse between the hair cells and nerve fibers was mathematically modeled, in order to obtain the electrical stimulus of the auditory nerve associated with a random sound stimulus. Furthermore a new analog model of the nerve fiber information propagation was realized in order to obtain a realistic electrical analogy with nerve fiber depolarization propagation. Based on impedance spectroscopy biological tissue characterization, we proposed a new electrical analogy of the system composed of the electrodes inserted inside the cochlea.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l'intelligence ambiante (Ambient Intelligence - AmI). Les systèmes AmI sont des systèmes interactifs composés de plusieurs éléments hétérogènes. Principalement : les capteurs et les effecteurs.D'un point de vue fonctionnel, l'objectif des systèmes AmI est d'activer certains effecteurs, sur la base des mesures des capteurs. Toutefois, les capteurs et les effecteurs peuvent subir des défaillances. Notre motivation dans cette thèse est de munir les systèmes AmI de capacités d'auto-détection des pannes.Les ressources physiques ne sont pas nécessairement connues au moment de la conception, mais elles sont plutôt découvertes dynamiquement lors de l'exécution. Il est donc impossible d’appliquer les techniques classiques pour prédéterminer des boucles de régulation ad-hoc.Nous proposons une nouvelle approche où la stratégie de détection de défaillances est déterminée dynamiquement lors de l'exécution. Pour cela, les couplages entre capteurs et effecteurs sont déduits automatiquement lors de l’exécution. Ceci est rendu possible par la modélisation des caractéristiques des capteurs, des effecteurs, ainsi que des phénomènes physiques (que nous appelons effets) qui sont attendus dans l'environnement ambiant suite à une action d’un effecteur. Ces effets sont utilisés en run-time pour lier les effecteurs (produisant les effets) avec les capteurs correspondants (détectant ces effets). Nous introduisons une plateforme de détection des pannes qui génère à l’exécution un modèle de prédiction des valeurs attendues sur les capteurs. Ce modèle, de nature hétérogène (il mêle flots de données et automates finis) est exécuté par un outil adapté (ModHel’X) de façon à fournir les valeurs attendues à chaque instant. Notre plateforme compare alors ces valeurs avec les valeurs réellement mesurées de façon à détecter les défaillances. / This thesis takes place in the field of Ambient Intelligence (AmI). AmI Systems are interactive systems composed of many heterogeneous components. From a hardware perspective these components can be divided into two main classes: sensors, using which the system observes its surroundings, and actuators, through which the system acts upon its surroundings in order to execute specific tasks.From a functional point of view, the goal of AmI Systems is to activate some actuators, based on data provided by some sensors. However, sensors and actuators may suffer failures. Our motivation in this thesis is to equip ambient systems with self fault detection capabilities. One of the particularities of AmI systems is that instances of physical resources (mainly sensors and actuators) are not necessarily known at design time; instead they are dynamically discovered at run-time. In consequence, one could not apply classical control theory to pre-determine closed control loops using the available sensors. We propose an approach in which the fault detection and diagnosis in AmI systems is dynamically done at run-time, while decoupling actuators and sensors at design time. We introduce a Fault Detection and Diagnosis framework modeling the generic characteristics of actuators and sensors, and the physical effects that are expected on the physical environment when a given action is performed by the system's actuators. These effects are then used at run-time to link actuators (that produce them) with the corresponding sensors (that detect them). Most importantly the mathematical model describing each effect allows the calculation of the expected readings of sensors. Comparing the predicted values with the actual values provided by sensors allows us to achieve fault-detection.

Dans le contexte de l'Ingénierie Dirigée par les Modèles, l'utilisation de multiples paradigmes de modélisation pour développer un système complexe est à la fois inévitable et essentielle. Les modèles qui représentent un tel système sont donc hétérogènes, ce qui rend tout raisonnement global sur le système difficile. L'objectif de la modélisation multi-paradigme est de faciliter l'utilisation conjointe de modèles hétérogènes pendant le cycle de développement. Les travaux exposés dans cette thèse concernent l'étude de l'hétérogénéité des modèles et la conception d'une approche pour la modélisation multi-paradigme des systèmes. Nous caractérisons les causes de l'hétérogénéité des modèles par rapport au cycle de développement puis identifions différents types d'hétérogénéité. En nous basant sur ces causes d'hétérogénéité, nous proposons un cadre d'étude pour le domaine de la modélisation multi-paradigme avec différents axes de recherche. La multidisciplinarité de la modélisation multi-paradigme rend applicables des techniques issues de différents domaines. Nous proposons un état de l'art et une classification des techniques dont nous avons étudié la pertinence par rapport à l'hétérogénéité. La gamme des techniques présentées inclut les transformations de modèles, la composition de méta-modèles, la composition de modèles, l'adaptation de composants, la co-simulation ou encore les méga-modèles. Nous présentons ensuite ModHel'X, l'approche de composition de modèles pour la modélisation multi-paradigme que nous avons développée. Elle s'appuie sur le concept de modèle de calcul et permet : 1. de spécifier la sémantique d'un langage de modélisation de manière exécutable à travers la spécialisation opérationnelle d'une sémantique abstraite pour les modèles de calcul ; 2. de spécifier explicitement les mécanismes de composition à utiliser entre des modèles hétérogènes via une structure de modélisation appelée bloc d'interface ; 3. de simuler le comportement global de modèles hétérogènes par un algorithme générique d'exécution que nous avons défini. Une implémentation de ModHel'X a été réalisée sous la forme d'un framework s'appuyant sur EMF (Eclipse Modeling Framework).