Le problème de tournées de véhicules (VRP) implique de planifier les itinéraires d'une flotte de véhicules afin de desservir un ensemble de clients à moindre coût. Ce problème d'optimisation combinatoire NP-difficile apparait dans de nombreux domaines d'application, notamment en logistique, télécommunications, robotique ou gestion de crise dans des contextes militaires et humanitaires. Ces applications amènent différents contraintes, objectifs et décisions supplémentaires ; des "attributs" qui viennent compléter les formulations classiques du problème. Les nombreux VRP Multi-Attributs (MAVRP) qui s'ensuivent sont le support d'une littérature considérable, mais qui manque de méthodes généralistes capables de traiter efficacement un éventail significatif de variantes. Par ailleurs, la résolution de problèmes "riches", combinant de nombreux attributs, pose d'importantes difficultés méthodologiques. Cette thèse contribue à relever ces défis par le biais d'analyses structurelles des problèmes, de développements de stratégies métaheuristiques, et de méthodes unifiées. Nous présentons tout d'abord une étude transversale des concepts à succès de 64 méta-heuristiques pour 15 MAVRP afin d'en cerner les "stratégies gagnantes". Puis, nous analysons les problèmes et algorithmes d'ajustement d'horaires en présence d'une séquence de tâches fixée, appelés problèmes de "timing". Ces méthodes, développées indépendamment dans différents domaines de recherche liés au transport, ordonnancement, allocation de ressource et même régression isotonique, sont unifiés dans une revue multidisciplinaire. Un algorithme génétique hybride efficace est ensuite proposé, combinant l'exploration large des méthodes évolutionnaires, les capacités d'amélioration agressive des métaheuristiques à voisinage, et une évaluation bi-critère des solutions considérant coût et contribution à la diversité de la population. Les meilleures solutions connues de la littérature sont retrouvées ou améliorées pour le VRP classique ainsi que des variantes avec multiples dépôts et périodes. La méthode est étendue aux VRP avec contraintes de fenêtres de temps, durée de route, et horaires de conducteurs. Ces applications mettent en jeu de nouvelles méthodes d'évaluation efficaces de contraintes temporelles relaxées, des phases de décomposition, et des recherches arborescentes pour l'insertion des pauses des conducteurs. Un algorithme de gestion implicite du placement des dépôts au cours de recherches locales, par programmation dynamique, est aussi proposé. Des études expérimentales approfondies démontrent la contribution notable des nouvelles stratégies au sein de plusieurs cadres méta-heuristiques. Afin de traiter la variété des attributs, un cadre de résolution heuristique modulaire est présenté ainsi qu'un algorithme génétique hybride unifié (UHGS). Les attributs sont gérés par des composants élémentaires adaptatifs. Des expérimentations sur 26 variantes du VRP et 39 groupes d'instances démontrent la performance remarquable de UHGS qui, avec une unique implémentation et paramétrage, égalise ou surpasse les nombreux algorithmes dédiés, issus de plus de 180 articles, révélant ainsi que la généralité ne s'obtient pas forcément aux dépends de l'efficacité pour cette classe de problèmes. Enfin, pour traiter les problèmes riches, UHGS est étendu au sein d'un cadre de résolution parallèle coopératif à base de décomposition, d'intégration de solutions partielles, et de recherche guidée. L'ensemble de ces travaux permet de jeter un nouveau regard sur les MAVRP et les problèmes de timing, leur résolution par des méthodes méta-heuristiques, ainsi que les méthodes généralistes pour l'optimisation combinatoire. / The Vehicle Routing Problem (VRP) involves designing least cost delivery routes to service a geographically-dispersed set of customers while taking into account vehicle-capacity constraints. This NP-hard combinatorial optimization problem is linked with multiple applications in logistics, telecommunications, robotics, crisis management in military and humanitarian frameworks, among others. Practical routing applications are usually quite distinct from the academic cases, encompassing additional sets of specific constraints, objectives and decisions which breed further new problem variants. The resulting "Multi-Attribute" Vehicle Routing Problems (MAVRP) are the support of a vast literature which, however, lacks unified methods capable of addressing multiple MAVRP. In addition, some "rich" VRPs, i.e. those that involve several attributes, may be difficult to address because of the wide array of combined and possibly antagonistic decisions they require. This thesis contributes to address these challenges by means of problem structure analysis, new metaheuristics and unified method developments. The "winning strategies" of 64 state-of-the-art algorithms for 15 different MAVRP are scrutinized in a unifying review. Another analysis is targeted on "timing" problems and algorithms for adjusting the execution dates of a given sequence of tasks. Such methods, independently studied in different research domains related to routing, scheduling, resource allocation, and even isotonic regression are here surveyed in a multidisciplinary review. A Hybrid Genetic Search with Advanced Diversity Control (HGSADC) is then introduced, which combines the exploration breadth of population-based evolutionary search, the aggressive-improvement capabilities of neighborhood-based metaheuristics, and a bi-criteria evaluation of solutions based on cost and diversity measures. Results of remarkable quality are achieved on classic benchmark instances of the capacitated VRP, the multi-depot VRP, and the periodic VRP. Further extensions of the method to VRP variants with constraints on time windows, limited route duration, and truck drivers' statutory pauses are also proposed. New route and neighborhood evaluation procedures are introduced to manage penalized infeasible solutions w.r.t. to time-window and duration constraints. Tree-search procedures are used for drivers' rest scheduling, as well as advanced search limitation strategies, memories and decomposition phases. A dynamic programming-based neighborhood search is introduced to optimally select the depot, vehicle type, and first customer visited in the route during local searches. The notable contribution of these new methodological elements is assessed within two different metaheuristic frameworks. To further advance general-purpose MAVRP methods, we introduce a new component-based heuristic resolution framework and a Unified Hybrid Genetic Search (UHGS), which relies on modular self-adaptive components for addressing problem specifics. Computational experiments demonstrate the groundbreaking performance of UHGS. With a single implementation, unique parameter setting and termination criterion, this algorithm matches or outperforms all current problem-tailored methods from more than 180 articles, on 26 vehicle routing variants and 39 benchmark sets. To address rich problems, UHGS was included in a new parallel cooperative solution framework called "Integrative Cooperative Search (ICS)", based on problem decompositions, partial solutions integration, and global search guidance. This compendium of results provides a novel view on a wide range of MAVRP and timing problems, on efficient heuristic searches, and on general-purpose solution methods for combinatorial optimization problems. / Thèse réalisée en cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université de Technologie de Troyes

Notre étude de la compilation sous-polyédrique est dominée par l’introduction de la notion l’ordonnancement affine sous-polyédrique, pour laquelle nous proposons une technique utilisant des sous-polyèdres (U)TVPI. Dans ce cadre, nous introduisons des algorithmes capables de construire des sous-approximations de systèmes de contraintes résultant de problèmes d’ordonnancement affine. Cette technique repose sur des algorithmes polynomiaux simples pour approcher un polyèdre quelconque par un polyèdre (U)TVPI. Nos algorithmes sont suffisamment génériques pour s’appliquer à de nombreux problèmes d’ordonnancement, de parallélisation, et d’optimisation de boucles, réduisant leur complexité temporelle à des fonctions polynomiales. Nous introduisons également une méthode pour la génération de code utilisant des algorithmes sous-polyédriques, tirant parti de la faible complexité des sous-polyèdres (U)TVPI. Dans ce cadre, nous montrons comment réduire la complexité associée aux générateurs de code les plus populaires, ramenant la complexité de plusieurs facteurs exponentiels à des fonctions polynomiales. Nombre de ces techniques sont évaluées expérimentalement. Pour cela, nous avons réalisé une version modifiée du compilateur PLuTo, capable de paralléliser et d’optimiser des nids de boucles pour des architectures multi-cœurs à l’aide de transformations affines, et notamment de partitionnement (tiling). Nous montrons qu’une majorité des noyaux de calcul de la suite Polybench (2.0) peut être manipulée à l’aide de notre technique d’ordonnancement, en préservant la faisabilité des polyèdres lors des sous-approximations. L’utilisation des systèmes approchés par des sous-polyèdres conduit à des gains asymptotiques en complexité, qui se traduit par des réductions significatives en temps de compilation, par rapport à un solveur de programmation linéaire de référence. Nous vérifions également que le code généré par notre prototype de parallélisation sous-polyédrique est compétitif par rapport à la performance du code généré par Pluto. / The goal of this thesis is to design algorithms that run with better complexity when compiling or parallelizing loop programs. The framework within which our algorithms operate is the polyhedral model of compilation which has been successful in the design and implementation of complex loop nest optimizers and parallelizing compilers. The algorithmic complexity and scalability limitations of the above framework remain one important weakness. We address it by introducing sub-polyhedral compilation by using (Unit-)Two-Variable-Per-Inequality or (U)TVPI Polyhedra, namely polyhedrawith restricted constraints of the type ax_{i}+bx_{j}\le c (\pm x_{i}\pm x_{j}\le c). A major focus of our sub-polyhedral compilation is the introduction of sub-polyhedral scheduling, where we propose a technique for scheduling using (U)TVPI polyhedra. As part of this, we introduce algorithms that can be used to construct under-aproximations of the systems of constraints resulting from affine scheduling problems. This technique relies on simple polynomial time algorithms to under approximate a general polyhedron into (U)TVPI polyhedra. The above under-approximation algorithms are generic enough that they can be used for many kinds of loop parallelization scheduling problems, reducing each of their complexities to asymptotically polynomial time. We also introduce sub-polyhedral code-generation where we propose algorithms to use the improved complexities of (U)TVPI sub-polyhedra in polyhedral code generation. In this problem, we show that the exponentialities associated with the widely used polyhedral code generators could be reduced to polynomial time using the improved complexities of (U)TVPI sub-polyhedra. The above presented sub-polyhedral scheduling techniques are evaluated in an experimental framework. For this, we modify the state-of-the-art PLuTo compiler which can parallelize for multi-core architectures using permutation and tiling transformations. We show that using our scheduling technique, the above under-approximations yield polyhedra that are non-empty for 10 out of 16 benchmarks from the Polybench (2.0) kernels. Solving the under-approximated system leads to asymptotic gains in complexity, and shows practically significant improvements when compared to a traditional LP solver. We also verify that code generated by our sub-polyhedral parallelization prototype matches the performance of PLuTo-optimized code when the under-approximation preserves feasibility.

Le management de la chaîne logistique concerne un large éventail d’activités. Nombreuses ceux qui ont un caractère incertain apportant souvent des conséquences inattendues. Malgré cela, l’incertitude est fréquemment non considérée dans la gestion de la chaîne logistique traditionnelle. En plus de l’incertitude, l’indisponibilité des ressources augmentera la complexité du problème. En prenons en compte les contraintes d’incertitude et de disponibilité nous étudions le management de la chaîne logistique selon différents aspects. Cette thèse représente une tentative de recherche afin d’aborder ce problème d’une façon systématique et complète et nous espérons que notre travail contribuera aux futurs travaux de recherche et sera utile aux gestionnaires de la chaîne logistique. Nous nous concentrons sur trois sources classiques de l’incertitude ; celle de la demande, celle la fabrication et celle liée à la distribution. Pour chaque source d’incertitude, nous analysons ses causes et ses impacts sur les performances de la chaîne logistique. L’incertitude est spécifiée dans des problèmes classiques concrets et des approches sont proposées pour les résoudre. Nous nous sommes également focalisés sur le problème bi-niveau de vendeur de journaux qui représente une chaîne logistique miniature, concerné par une double incertitude. Les méthodes utilisées offrent une bonne démonstration du traitement des variables incertaines dans les problèmes de décision / Supply chain management involves a wide range of activities. Among most of them, uncertainty exists inherently and always brings some consequence not expected. However, uncertainty is not considered much in conventional supply chain management. In the case where availability of resources is not what we expect, complexity of supply chain management increases. Taking constraints of uncertainty and availability into account, we aim to discuss supply chain management from different aspects. This thesis is an attempt of systematic and complete research from this point and we would like to offer some references to researchers and managers in supply chain. We focus on three classic sources of uncertainty: demand, manufacturing and distribution. For each source of uncertainty, we analyze its cause and its impact to the performance of the supply chain. Uncertainty is specified into concrete classic problem and an approach is proposed to solve it. Furthermore, bi-level newsboy problem as a miniature of supply chain, is focused under double uncertain environment. Treating uncertain variables is actually a treatment on operational level. The methods used offer good demonstration in treating uncertain variables in decision problems

Nous considérons dans cette thèse un problème d’ordonnancement de flow-shop de permutation où un ensemble de travaux doit être ordonnancé sur un ensemble de machines. Les travaux doivent être ordonnancés sur les machines dans le même ordre. L’objectif est de minimiser le retard total. Nous proposons des algorithmes heuristiques et des nouvelles matheuristiques pour ce problème. Les matheuristiques sont un nouveau type d’algorithmes approchés qui ont été proposés pour résoudre des problèmes d’optimisation combinatoire. Les méthodes importent de la résolution exacte au sein des approches (méta) heuristiques. Ce type de méthode de résolution a reçu un grand intérêt en raison de leurs très bonnes performances pour résoudre des problèmes difficiles. Nous présentons d’abord les concepts de base d’un problème d’ordonnancement. Nous donnons aussi une brève introduction à la théorie de l’ordonnancement et nous présentons un panel de méthodes de résolution. Enfin, nous considérons un problème où un flow shop de permutation à m-machine et un problème de tournées de véhicules sont intégrés, avec pour objectif la minimisation de la somme des retards. Nous proposons un codage direct d’une solution et une méthode de voisinage. Les résultats montrent que l’algorithme Tabou améliore grandement la solution initiale donnée par EDD et où chaque voyage ne délivre qu’un travail. / We consider in this thesis a permutation flow shop scheduling problem where a set of jobs have to be scheduled on a set of machines. The jobs have to be processed on the machines in the same order. The objective is to minimize the total tardiness. We propose heuristic algorithms and many new matheuristic algorithms for this problem. The matheuristic methods are a new type of approximated algorithms that have been proposed for solving combinatorial optimization problems. These methods embed exact resolution into (meta)heuristic approaches. This type of resolution method has received a great interest because of their very good performances for solving some difficult problems. We present the basic concepts and components of a scheduling problem and the aspects related to these components. We also give a brief introduction to the theory of scheduling and present an overview of resolution methods. Finally, we consider a problem where m-machine permutation flow shop scheduling problem and a vehicle routing problem are integrated and the objective is to minimize the total tardiness. We introduce a direct coding for a complete solution and a Tabu search for finding a sequence and trips. The results show that the TS greatly improves the initial solution given by EDD heuristic where each trip serves only one job at a time.

Les travaux de cette thèse s’articulent autour des « problèmes d’ordonnancement multiagent avec une fonction objectif globale ». Ces modèles considèrent différents agents associés à des sous-ensembles de travaux disjoints, chacun d’eux vise à minimiser un objectif qui ne dépend que de ses propres travaux. Un critère global est aussi considéré, qui est appliqué à la totalité des travaux. La résolution de ces problèmes revient à trouver les meilleurs compromis entre les critères des agents et le critère global. Ces problèmes sont une classe particulière des problèmes d’ordonnancement « multi-agents » qui ont connu une grande expansion, reflétant leurs intérêts dans le domaine de l’ordonnancement. / This thesis addresses the multi-agent scheduling problems with a global objective function. We consider the problems featured by various agents, each of which is associated with a distinct subset of jobs. Each agent aims at minimizing a certain objective function, which only operates on its assigned jobs. A global criterion associated with a global agent is applied on the whole set of the jobs. Solving these problems involves finding the best compromises between the requirements of agents and that of the global agent. These problems belong to a particular class of multi-criteria scheduling problems. Such a class has drawn a significant interest to researchers in the area of scheduling and operational research.

Les réseaux véhiculaires constituent une catégorie de réseaux sans fil mobiles à part entière et présentent l'originalité de permettre aux véhicules de communiquer les uns avec les autres mais aussi avec l'infrastructure quand elle existe. L'apparition des réseaux véhiculaires s'est accompagnée de l'apparition d'une myriade et variété d'applications potentielles allant de la sécurité à la gestion du trafic routier en passant par les applications de divertissement et de confort des usagers de la route. Ces applications ont suscité beaucoup d'intérêt de la part des chercheurs, des constructeurs des automobiles et des opérateurs des télécommunications. Les applications d'information et de divertissement, pour lesquelles une grande quantité de contenus peut exister, exigent que les contenus engendrés soient propagés au travers des véhicules et/ou de l'infrastructure jusqu'à atteindre les utilisateurs intéressés tout en respectant les durées de vie potentiellement limitées des contenus. La dissémination de contenus pour ce type d'applications reste un défi majeur en raison de plusieurs facteurs tels que la présence de beaucoup de contenus, la connectivité très intermittente mais encore les intérêts potentiellement hétérogènes des utilisateurs. C'est à cette thématique que nous sommes intéressés dans cette thèse; Tout d'abord, nous nous proposons une nouvelle métrique qui calcule l'utilité apportée aux utilisateurs. Elle permet de mesurer leur satisfaction par rapport aux contenus reçus. Nous la jugeons nécessaire pour évaluer les performances d'une approche de dissémination pour les applications de confort par opposition à des applications de sécurité routière. Dans un deuxième temps, nous nous concentrons sur le développement d'un nouveau protocole de dissémination, appelé I-PICK, et d'une solution de sélection des nœuds relais, appelé I-SEND, pour disséminer les contenus d'information et de divertissement en tenant compte des préférences des utilisateurs par rapport aux contenus reçus. Notre proposition est fondée sur l'échange de messages périodiques permettant l'estimation des durées de contacts et la connaissance des préférences des utilisateurs. Ces informations sont ensuite utilisées, dans un premier temps, pour effectuer un ordonnancement efficace des contenus lors de la dissémination puis choisir les relais permettant de maximiser l'utilité des utilisateurs par rapport aux contenus reçus dans un environnement caractérisé par des faibles durées de communication. Au travers de simulations nous confirmons l'efficacité de notre approche. Pour conforter le fonctionnement de nos mécanismes, nous avons implanté dans un environnement réel nos propositions I-PICK et I-SEND. Au travers d'un scénario simple, nous avons mis en évidence des risques liés à l'hétérogénéité des machines ou bien encore la difficulté du paramétrage des temporisations. Ces premiers résultats positifs montrent l'intérêt de notre technique et ouvre des pistes d'amélioration. Notre dernière contribution concerne des mécanismes de réduction du trafic cellulaire à l'aide des communications opportunistes entre les véhicules. Quand un contenu est disponible auprès d'un serveur de contenus accessible par le réseau cellulaire, il est nécessaire de proposer une méthode efficace de sélection des sources initiales qui seront choisies pour télécharger puis disséminer les contenus. Nous optons pour une solution qui pourrait reposer sur technologie SDN ainsi que sur des communications opportunistes et qui permet de choisir les sources en tant que nœuds pouvant produire un maximum d'utilité en propageant les contenus. / Vehicular networks are a class of mobile wireless networks and have the originality of enabling vehicles to communicate with each other and also with the infrastructure when it exists. The advent of vehicular networks has been accompanied by the emergence of a myriad and a variety of potential applications that are not only restricted to road safety but span from traffic management to entertainment and comfort applications. These applications have received much interest from researchers, automobile manufacturers, and telecommunications operators. Information and entertainment applications, where a large amount of content can exist, require the dissemination of the generated content through vehicles and/or infrastructure until reaching interested users while respecting the potential limited lifetime of content. The content dissemination for this type of applications remains a major challenge due to several factors such as the presence of a large amount of content, an intermittent connectivity, and the heterogeneous interests of users. In this thesis we turn our attention to this topic. First, we propose a new metric that allows to measure the users satisfaction with respect to the received content. This metric is used to evaluate the performance of the dissemination schemes. Second, we focus on the development of a new dissemination protocol, named I-PICK, and a forwarder selection solution, named I-SEND, to disseminate information and entertaining content in vehicular networks while ensuring maximum satisfaction of the users preferences with respect to the received content. Our proposal is based on the exchange of periodic messages enabling the estimation of contact durations and the knowledge of user preferences. First of all, this information is used to conduct an efficient content scheduling during the dissemination, and then to select relay nodes for maximizing the utility to users. We confirm the efficiency of our approach through simulations. To strengthen the functioning of our mechanisms, we implemented our proposals I-PICK and I-SEND in a real environment. Through a simple scenario, we have highlighted the risks associated with the heterogeneity of the machines and even the difficulty of setting timers. These first positive results show the interest of our solutions and raise new questions to be addressed. Our last contribution concerns cellular traffic offloading schemes by exploiting vehicular opportunistic communications. We study the seed-vehicles selection problem as the first step toward bootstrapping cellular traffic offloading for content dissemination in vehicular networks. We propose a solution that takes advantage from the presence of the SDN technology as well as vehicular opportunistic communications to select as seeds the nodes that can produce maximum utility when propagating the content.

Afin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. Dans cette étude, nous explorons la conception de solveurs directes creux à base de tâches, qui représentent une charge de travail extrêmement irrégulière, avec des tâches de granularités et de caractéristiques différentes ainsi qu'une consommation mémoire variable, au-dessus d'un moteur d'exécution. Dans le cadre du solveur qr mumps, nous montrons dans un premier temps la viabilité et l'efficacité de notre approche avec l'implémentation d'une méthode multifrontale pour la factorisation de matrices creuses, en se basant sur le modèle de programmation parallèle appelé "flux de tâches séquentielles" (Sequential Task Flow). Cette approche, nous a ensuite permis de développer des fonctionnalités telles que l'intégration de noyaux dense de factorisation de type "minimisation de cAfin de s'adapter aux architectures multicoeurs et aux machines de plus en plus complexes, les modèles de programmations basés sur un parallélisme de tâche ont gagné en popularité dans la communauté du calcul scientifique haute performance. Les moteurs d'exécution fournissent une interface de programmation qui correspond à ce paradigme ainsi que des outils pour l'ordonnancement des tâches qui définissent l'application. / To face the advent of multicore processors and the ever increasing complexity of hardware architectures, programming models based on DAG parallelism regained popularity in the high performance, scientific computing community. Modern runtime systems offer a programming interface that complies with this paradigm and powerful engines for scheduling the tasks into which the application is decomposed. These tools have already proved their effectiveness on a number of dense linear algebra applications. In this study we investigate the design of task-based sparse direct solvers which constitute extremely irregular workloads, with tasks of different granularities and characteristics with variable memory consumption on top of runtime systems. In the context of the qr mumps solver, we prove the usability and effectiveness of our approach with the implementation of a sparse matrix multifrontal factorization based on a Sequential Task Flow parallel programming model. Using this programming model, we developed features such as the integration of dense 2D Communication Avoiding algorithms in the multifrontal method allowing for better scalability compared to the original approach used in qr mumps. In addition we introduced a memory-aware algorithm to control the memory behaviour of our solver and show, in the context of multicore architectures, an important reduction of the memory footprint for the multifrontal QR factorization with a small impact on performance. Following this approach, we move to heterogeneous architectures where task granularity and scheduling strategies are critical to achieve performance. We present, for the multifrontal method, a hierarchical strategy for data partitioning and a scheduling algorithm capable of handling the heterogeneity of resources. Finally we present a study on the reproducibility of executions and the use of alternative programming models for the implementation of the multifrontal method. All the experimental results presented in this study are evaluated with a detailed performance analysis measuring the impact of several identified effects on the performance and scalability. Thanks to this original analysis, presented in the first part of this study, we are capable of fully understanding the results obtained with our solver.

L'ingénierie des systèmes embarqués repose sur deux activités complémentaires : la modélisation d'une part permet dereprésenter le système, l'analyse d’autre part permet d'évaluer les diverses propriétés non-fonctionnelles (par exemple despropriétés temporelles via l'analyse d’ordonnancement temps réel). Cette thèse s'intéresse à l'intégration entre ces modèleset analyses: comment appliquer une analyse sur une modèle ? Comment gérer le processus d’analyse ? La première partie de cette thèse présente une approche globale afin de répondre à ces questions. Cette approche s'organise autour de quatre couches applicatives: (1) les modèles qui représentent le système, (2) les accesseurs qui permettent d'extraire des données à partir d'un modèle, (3) l'analyse qui traite des données en entrée pour produire des données ou propriétés en sortie, (4) des contrats qui décrivent les interfaces d'une analyse et permettent d'orchestrer le processus d'analyse. La seconde partie de cette thèse est dédiée à l'expérimentation de cette approche sur des systèmes réels provenant du domaine aérospatial : un drone, un robot explorateur et un système de gestion de vol. Nous montrons que les accesseurs permettent d’appliquer diverses analyses d’ordonnancement temps réel sur des modèles architecturaux hétérogènes, par exemples décrits avec le standard industriel AADL (Architecture Analysis and Design Language) ou le nouveau langage dirigé par le temps CPAL (Cyber-Physical Action Language). En outre, nous montrons que les contrats peuvent être utilisés afin d’automatiser des procédures d'analyse complexes : quelle analyse peut être appliquée sur unmodèle ? Quelles analyses remplissent les objectifs visés ? Peut-on combiner des analyses ? Y-a-t-il des interférences entreles analyses ? Etc. / The engineering of embedded systems relies on two complementary activities: modeling on the one hand enables torepresent the system, analysis on the other hand makes it possible to evaluate the various non-functional properties (forexample, temporal properties with the real-time scheduling analysis). This thesis deals with the integration between thesemodels and analyses: how to apply an analysis on a model? How to manage the analysis process? The first part of this thesis presents a comprehensive approach to answer these questions. This approach is based on four application layers: (1) models to represent the system, (2) accessors to extract data from a model, (3) analyses to computeoutput data and/or properties from input data (4) contracts to represent the analysis interfaces and orchestrate the analysisprocess. The second part of this thesis deals with the experimentation of this approach with concrete systems coming fromthe aerospace: a drone, an exploratory robot and a flight management system. We demonstrate that the accessors enable toapply various real-time scheduling analyses on heterogeneous architectural models, for example written with the industrystandard AADL (Architecture Analysis and Design Language) or the new time-triggered language CPAL (Cyber-PhysicalAction Language). In addition, contracts make it possible to automate complex analysis procedures: which analysis can beapplied on a given model? Which are the analyses that meet a given goal? Are there analyses to be combined? Are thereinterferences between analyses? Etc.

Les architectures modulaires intégrées (IMA) sont une évolution majeure de l'architecture des systèmes avioniques. Elles permettent à plusieurs systèmes de se partager des ressources matérielles sans interférer dans leur fonctionnement grâce à un partitionnement spatial (zones mémoires prédéfinies) et temporel (ordonnancement statique) dans les processeurs ainsi qu'une réservation des ressources sur les réseaux empruntés. Ces allocations statiques permettent de vérifier le déterminisme général des différents systèmes: chaque système doit respecter des exigences de bout-en-bout dans une architecture asynchrone. Une étude pire cas permet d'évaluer les situations amenant aux limites du système et de vérifier que les exigences de bouten- bout sont satisfaites dans tous les cas. Les architectures IMA utilisés dans les avions centralisent physiquement des modules de calcul puissants dans des baies avioniques. Dans le cadre d'une étude de cas hélicoptère, ces baies ne sont pas envisageables pour des raisons d'encombrement: des processeurs moins puissants, utilisés à plus de 80%, composent ces architectures. Pour ajouter de nouvelles fonctionnalités ainsi que de nouveaux équipements, le souhait est de distribuer la puissance de traitement sur un plus grand nombre de processeurs dans le cadre d'une architecture globale asynchrone. Deux problématiques fortes ont été mises en avant tout au long de cette thèse. La première est la répartition des fonctions avioniques associée à une contrainte d'ordonnancement hors-ligne sur les différents processeurs. La deuxième est la satisfaction des exigences de communication de bout-en-bout, dépendantes de l'allocation et l'ordonnancement des fonctions ainsi que des latences de communication sur les réseaux. La contribution majeure de cette thèse est la recherche d'un compromis entre la distribution des architectures IMA sur un plus grand nombre de processeurs et la satisfaction des exigences de communication de bout-en-bout. Nous répondons à cet enjeu de la manière suivante: - Nous formalisons dans un premier temps un modèle de partitions communicantes tenant en compte des contraintes d'allocation et d'ordonnancement des partitions d'une part et des contraintes de communication de bout-en-bout entre partitions d'autre part. - Nous présentons dans un deuxième temps une recherche exhaustive des architectures valides. Nous proposons l'allocation successive des fonctions avioniques en considérant au même niveau la problématique d'ordonnancement et la satisfaction des exigences de bout-en-bout avec des latences de communication figées. Cette méthode itérative permet de construire des allocations de partitions partiellement valides. La construction des ordonnancements dans chacun des processeurs est cependant une démarche coûteuse dans le cadre d'une recherche exhaustive. - Nous avons conçu dans un troisième temps une heuristique gloutonne pour réduire l'espace de recherche associé aux ordonnancements. Elle permet de répondre aux enjeux de distribution d'une architecture IMA dans un contexte hélicoptère. - Nous nous intéressons dans un quatrième temps à l'impact des latences de communication de bout-en-bout sur des architectures distribuées données. Nous proposons pour celles-ci les choix de réseaux basés sur les latences de communication admissibles entre les différentes fonctions avioniques. Les méthodes que nous proposons répondent au besoin industriel de l'étude de cas hélicoptère, ainsi qu'à celui de systèmes de plus grande taille. / Integrated Modular Architectures (IMA) is a major evolution of avionics systems. A spatial (predefined memory zones) and temporal (off-line scheduling) partitioning as well as communication resources reservation permit several systems not to interfere in this architecture. The determinism of systems is proved thanks to these static allocations: each system must respect end-to-end requirements in an asynchronous architecture. A worst-case study permits to assess the bounds of systems in order to verify that end-to-end requirements are satisfied in all the cases. IMA architectures physically centralize powerful computing resources in avionics bays in aircraft. These aren't feasible in helicopters due to size reasons: powerless processors, at least 80% used, set these architectures. In order to add new functionalities and equipment, the aim is to distribute processing power over a larger number of processors in the context of a globally asynchronous architecture. Two strong issues have been advanced throughout this thesis. The first one is the distribution of avionics functions with an off-line scheduling constraint on the different processors. The second one is the satisfaction of end-to-end requirements, depending on allocation and scheduling of functions as well as communication latencies over the networks. This thesis proposes a trade-off between the distribution of IMA architectures on a larger number of processors and the satisfaction of end-to-end communication requirements. We answer at this topic as follows: - First, we formalize a communicating partitions model based on the partitions allocation and scheduling constraints on the one hand and end-to-end communication constraints on the other hand. - Second, we present an exhaustive search of valid architectures. We introduce a successive allocation of avionics functions considering altogether the scheduling and the satisfaction of end-to-end constraints with fixed communication latencies. This iterative method allows the building of partially valid allocations schemes, but the scheduling search is expensive here. - Third, we create a greedy heuristic to reduce the scheduling search space. It permits to meet the challenges of the distribution of IMA architecture in a helicopter context. - Finally, we focus on the impact of end-to-end communication latencies on given distributed architectures. We define for them the networks based on eligible communication latencies between the different avionics functions. Our methods answer the industrial case study needs as well as bigger size systems needs.

De nos jours, la validation des unités de contrôle électronique ECU se fonde généralement sur la simulationHardware-In-the-Loop où les systèmes physiques qui manquent sont modélisés à l’aide deséquations différentielles hybrides. La complexité croissante de ce type de modèles rend le compromisentre le temps de calcul et la précision de la simulation difficile à satisfaire. Cette thèse étudie et proposedes méthodes d’analyse et d’expérimentation destinées à la co-simulation temps-réel ferme de modèlesdynamiques hybrides. Elle vise notamment à définir des solutions afin d’exploiter plus efficacement leparallélisme fourni par les architectures multi-coeurs en utilisant de nouvelles méthodes et paradigmesde l’allocation des ressources. La première phase de la thèse a étudié la possibilité d’utiliser des méthodesd’intégration numérique permettant d’adapter l’ordre comme la taille du pas de temps ainsi quede détecter les événements et ceci dans le contexte de la co-simulation modulaire avec des contraintestemps-réel faiblement dures. De plus, l’ordre d’exécution des différents modèles a été étudié afin dedémontrer l’influence du respect des dépendances de données entre les modèles couplés sur les résultatsde la simulation. Nous avons proposé pour cet objectif, une nouvelle méthode de co-simulationqui permet le parallélisme complet entre les modèles impliquant une accélération supra-linéaire sanspour autant ajouter des erreurs liées à l’ordre d’exécution. Enfin, les erreurs de retard causées par lataille de pas de communication entre les modèles ont été améliorées grâce à une nouvelle méthoded’extrapolation par contexte des signaux d’entrée. Toutes les approches proposées visent de manièreconstructive à améliorer la vitesse de simulation afin de respecter les contraintes temps-réel, tout engardant la qualité et la précision des résultats de simulation sous contrôle. Ces méthodes ont été validéespar plusieurs essais et expériences sur un modèle de moteur à combustion interne et intégrées àun prototype du logiciel xMOD. / Nowadays the validation of Electronic Control Units ECUs generally relies on Hardware-in-The-Loopsimulation where the lacking physical systems are modeled using hybrid differential equations. Theincreasing complexity of this kind of models makes the trade-off between time efficiency and the simulationaccuracy hard to satisfy. This thesis investigates and proposes some analytical and experimentalmethods towards weakly-hard real-time co-simulation of hybrid dynamical models. It seeks in particularto define solutions in order to exploit more efficiently the parallelism provided by multi-core architecturesusing new methods and paradigms of resource allocation. The first phase of the thesis studied the possibilityof using step-size and order control numerical integration methods with events detection in thecontext of real-time modular co-simulation when the time constraints are considered weakly-hard. Moreover,the execution order of the different models was studied to show the influence of keeping or not thedata dependencies between coupled models on the simulation results. We proposed for this aim a newmethod of co-simulation that allows the full parallelism between models implying supra-linear speed-upswithout adding errors related to their execution order. Finally, the delay errors due to the communicationstep-size between the models were improved thanks to a proposed context-based inputs extrapolation.All proposed approaches target constructively to enhance the simulation speed for the compliance toreal-time constraints while keeping the quality and accuracy of simulation results under control and theyare validated through several test and experiments on an internal combustion engine model and integratedto a prototype version of the xMOD software.