Ce travail est consacré à la problématique du suivi des systèmes répartis temps réel. Plus précisément, il se concentre sur les aspects formels de la supervision basée sur des modèles ainsi que sur les problèmes qui lui sont liés. Dans la première partie du travail, nous présentons les propriétés de base de deux modèles formels bien connus utilisés pour la modélisation de systèmes répartis : les réseaux d'automates temporisés et les réseaux de Petri temporels. Nous montrons que le comportement de ces modèles peut être représenté par les procédés dits de branchement. Nous introduisons également les éléments conceptuels clés du système de surveillance. La deuxième partie du travail est consacrée à la question des dépliages avec contraintes qui permettent le suivi des relations causales entre les événements dans un système réparti. Ce type de structure peut reproduire des processus sur la base d'un ensemble totalement non-ordonné d'évènements. Dans notre travail, nous soulevons les problèmes des contraintes de temps et de leurs paramétrages. Les méthodes proposées sont illustrées par des études de cas. La troisième partie du travail traite de la problématique des boucles inobservables qui peuvent résulter de comportements cycliques inobservables des systèmes considérés. Ce type de comportement conduit à un nombre infini d'événements dans les dépliages avec contraintes. La quatrième et dernière partie du travail est consacrée à l'implémentation des méthodes décrites précédemment. / This work is devoted to the issue of monitoring of distributed real-time systems. In particular, it focuses on formal aspects of model-based supervision and problems which are related to it. In its first part, we present the basic properties of two well-known formal models used to model distributed systems: networks of timed automata and time Petri nets. We show that the behavior of these models can be represented with so-called branching processes. We also introduce the key conceptual elements of the supervisory system. The second part of the work is dedicated to the issue of constrained unfoldings which enable us to track causal relationships between events in a distributed system. This type of structure can be used to reproduce processes of the system on the basis of a completely unordered set of previously observed events. Moreover, we show that time constraints imposed on a system and observations submitted to the supervisory system can significantly affect a course of events in the system. We also raise the issue of parameters in time constraints. The proposed methods are illustrated with case studies. The third part of the work deals with the issue of unobservable cyclical behaviors in distributed systems. This type of behaviors leads to an infinite number of events in constrained unfoldings. We explain how we can obtain a finite structure that stores information about all observed events in the system, even if this involves processes that are infinite due to such unobservable loops. The fourth and final part of the work is dedicated to implementation issues of the previously described methods.

Les enjeux du développement durable, le réchauffement climatique, la pollution dans les grandes villes, la congestion et les nuisances sonores, l'augmentation des prix de carburants, sont parmi des nombreux facteurs qui incitent les pays développés à l'innovation dans les transports publics. Dans ce contexte, l'introduction des systèmes de vélos en libre-service, au cours de ces dernières années, est une des solutions adoptées par de nombreuses grandes villes. Malgré leur succès fulgurant dans le monde entier, il existe peu d'études fondamentales sur ce type transport urbain. Pourtant, leur exploitation et leur management par des opérateurs soulèvent de nombreuses questions notamment d'ordre opérationnel. Dans ce contexte, cette thèse s'adresse aux problèmes d'ordonnancement et de rééquilibrage des stations de vélos en libre-service. Ce sont des problèmes cruciaux pour la qualité de service et la viabilité économique de tels systèmes. Le rééquilibrage consiste à redistribuer le nombre de vélos entre les différentes stations afin de satisfaire au mieux les demandes des usagers. Cette régulation se fait souvent par le biais de véhicules spécifiques qui font des tournées autour des différentes stations. Ainsi, deux problèmes d'optimisation difficiles se posent : la recherche de la meilleure tournée du véhicule de régulation (ordonnancement de la tournée) et la détermination des nombres de véhicules à utiliser (rééquilibrage des stations). Dans cette optique, les travaux de cette thèse constituent une contribution à la modélisation et à l'optimisation de performances des systèmes de vélos en libre-service en vue de leur rééquilibrage et leur ordonnancement. Plusieurs méthodes d'optimisation et ont été développées et testées. De telles méthodes incorporent différentes approches de simulation ou d'optimisation comme les réseaux de Petri, les algorithmes génétiques, les algorithmes gloutons, les algorithmes de recherche par voisinage, la méthode arborescente de branch-and-bound, l'élaboration des bornes supérieures et inférieures, etc. Différentes facettes du problème ont été étudiées : le cas statique, le cas dynamique, l'ordonnancement et le rééquilibrage avec un seul (ou multiple) véhicule(s). Afin de montrer la pertinence de nos approches, la thèse comporte également plusieurs applications réelles et expérimentations / In our days, developed countries have to face many public transport problems, including traffic congestion, air pollution, global oil prices and global warming. In this context, Public Bike sharing systems are one of the solutions that have been recently implemented in many big cities around the world. Despite their apparent success, the exploitation and management of such transportation systems imply crucial operational challenges that confronting the operators while few scientific works are available to support such complex dynamical systems. In this context, this thesis addresses the scheduling and balancing in public bicycle-sharing systems. These problems are the most crucial questions for their operational efficiency and economic viability. Bike sharing systems are balanced by distributing bicycles from one station to another. This procedure is generally ensured by using specific redistribution vehicles. Therefore, two hard optimization problems can be considered: finding a best tour for the redistribution vehicles (scheduling) and the determination of the numbers of bicycles to be assigned and of the vehicles to be used (balancing of the stations). In this context, this thesis constitutes a contribution to modelling and optimizing the bicycle sharing systems' performances in order to ensure a coherent scheduling and balancing strategies. Several optimization methods have been proposed and tested. Such methods incorporate different approaches of simulation or optimization like the Petri nets, the genetic algorithms, the greedy search algorithms, the local search algorithms, the arborescent branch-and-bound algorithms, the elaboration of upper and lower bounds, ... Different variants of the problem have been studied: the static mode, the dynamic mode, the scheduling and the balancing by using a single or multiple vehicle(s). In order to demonstrate the coherence and the suitability of our approaches, the thesis contains several real applications and experimentations

Les études de Sûreté de Fonctionnement (SdF) sur les barrières instrumentées de sécurité représentent un enjeu important dans de nombreux domaines industriels. Afin de pouvoir réaliser ce type d'études, TOTAL développe depuis les années 80 le logiciel GRIF. Pour prendre en compte la complexité croissante du contexte opératoire de ses équipements de sécurité, TOTAL est de plus en plus fréquemment amené à utiliser le moteur de calcul MOCA-RP du package Simulation. MOCA-RP permet d'analyser grâce à la simulation de Monte-Carlo (MC) les performances d'équipements complexes modélisés à l'aide de Réseaux de Petri (RP). Néanmoins, obtenir des estimateurs précis avec MC sur des équipements très fiables, tels que l'indisponibilité, revient à faire de la simulation d'événements rares, ce qui peut s'avérer être coûteux en temps de calcul. Les méthodes standard d'accélération de la simulation de Monte-Carlo, initialement développées pour répondre à cette problématique, ne semblent pas adaptées à notre contexte. La majorité d'entre elles ont été définies pour améliorer l'estimation de la défiabilité et/ou pour les processus de Markov. Par conséquent, le travail accompli dans cette thèse se rapporte au développement de méthodes d'accélération de MC adaptées à la problématique des études de sécurité se modélisant en RP et estimant notamment l'indisponibilité. D'une part, nous proposons l'Extension de la Méthode de Conditionnement Temporel visant à accélérer la défaillance individuelle des composants. D'autre part, la méthode de Dissociation ainsi que la méthode de ``Truncated Fixed Effort'' ont été introduites pour accroitre l'occurrence de leurs défaillances simultanées. Ensuite, nous combinons la première technique avec les deux autres, et nous les associons à la méthode de Quasi-Monte-Carlo randomisée. Au travers de diverses études de sensibilité et expériences numériques, nous évaluons leur performance, et observons une amélioration significative des résultats par rapport à MC. Par ailleurs, nous discutons d'un sujet peu familier à la SdF, à savoir le choix de la méthode à utiliser pour déterminer les intervalles de confiance dans le cas de la simulation d'événements rares. Enfin, nous illustrons la faisabilité et le potentiel de nos méthodes sur la base d'une application à un cas industriel. / The dependability analysis of safety instrumented systems is an important industrial concern. To be able to carry out such safety studies, TOTAL develops since the eighties the dependability software GRIF. To take into account the increasing complexity of the operating context of its safety equipment, TOTAL is more frequently led to use the engine MOCA-RP of the GRIF Simulation package. Indeed, MOCA-RP allows to estimate quantities associated with complex aging systems modeled in Petri nets thanks to the standard Monte Carlo (MC) simulation. Nevertheless, deriving accurate estimators, such as the system unavailability, on very reliable systems involves rare event simulation, which requires very long computing times with MC. In order to address this issue, the common fast Monte Carlo methods do not seem to be appropriate. Many of them are originally defined to improve only the estimate of the unreliability and/or well-suited for Markovian processes. Therefore, the work accomplished in this thesis pertains to the development of acceleration methods adapted to the problematic of performing safety studies modeled in Petri nets and estimating in particular the unavailability. More specifically, we propose the Extension of the "Méthode de Conditionnement Temporel" to accelerate the individual failure of the components, and we introduce the Dissociation Method as well as the Truncated Fixed Effort Method to increase the occurrence of their simultaneous failures. Then, we combine the first technique with the two other ones, and we also associate them with the Randomized Quasi-Monte Carlo method. Through different sensitivities studies and benchmark experiments, we assess the performance of the acceleration methods and observe a significant improvement of the results compared with MC. Furthermore, we discuss the choice of the confidence interval method to be used when considering rare event simulation, which is an unfamiliar topic in the field of dependability. Last, an application to an industrial case permits the illustration of the potential of our solution methodology.

Nous développons une méthode de modélisation et de validation adaptée aux système parallèles structurés en couches hiérarchiques. Nous définissons deux notions : la concordance de modèle prouve que le modèle possède bien les propriétés dégagées par les spécifications; l'adéquation de service valide le protocole par rapport à son service. Nous appliquons notre méthode à la modélisation du protocole de télécommunication de niveau Transport (la couche 4 d'après la norme ISO sur l'interconnexion des systèmes ouverts). Nous étudions tout particulièrement la gestion de désynchronisations du Service de la couche Réseau, et le contrôle de flux avec réquisition de crédit du protocole de la couche Transport. Nous utilisons les réseaux de Petri à prédicats pour décrire le modèle du service rendu par le couche Réseau sous-jacente et nous en servir pour construire le modèle du protocole de ma couche Transport. nous prouvons que la notion d'abstraction peut s'étendre aux réseaux de Petri à prédicats. La preuve du déroulement correct du protocole est apportée en utilisant les invariants issus du modèle.

Ce travail présente l'approche UML/PNO (Unified Modelling Language with Petri Net Objects) pour la spécification de systèmes temps réel. La méthode propose d'enrichir la description semi-formelle UML du système par une modélisation formelle basée sur les réseaux de Petri. Les concepts UML de sous-système et d'interface ont été étendus afin d'améliorer la description de la vue système en termes de tructuration, gestion de projet et organisation de la modélisation. L'objectif est également d'adapter la méthode de modélisation système à une approche " orientée composant " pour le temps réel. Le concept " d'objet composé " permet d'intégrer des spécificités temps réel au sein du composant (protocole de communication, contrainte temporelle, effet observable). Le comportement des objets est spécifié à l'aide des réseaux de Petri à places et transitions stochastiques temporelles afin de permettre la validation et la vérification du système en cours de spécification. L'approche de validation propose des traductions semi-automatiques des diagrammes UML en réseaux de Petri. Les techniques classiques de simulation et d'évaluation de performances peuvent alors être appliquées. Ces traductions présentent l'avantage de rassembler, sur un même modèle à réseau de Petri, tous les aspects dynamiques du composant apparaissant dans différents diagrammes UML et de vérifier ainsi la cohérence de son comportement et de son utilisation. La vérification utilise les techniques d'analyse formelle, basées sur l'utilisation conjointe du graphe de classes et de la logique linéaire. Une approche de vérification quantitative des contraintes temporelles est proposée au niveau de l'analyse des besoins et des exigences du système. Une partie de ce travail a été concrétisée par l'intégration d'un module (ArgoPNO) dans l'atelier de génie logiciel ArgoUML. A ce jour, une première automatisation de la démarche de vérification des contraintes temporelles est opérationnelle sur cet outil.

Ce travail s’inscrit dans le cadre d’étude de la sûreté de fonctionnement.<p>La sûreté de fonctionnement est progressivement devenue partie intégrante de l’évaluation des performances des systèmes industriels. En effet, les pannes d’équipements, les pertes de production consécutives, et la maintenance des installations ont un impact économique majeur dans les entreprises. Il est donc essentiel pour un manager de pouvoir estimer de manière cohérente et réaliste les coûts de fonctionnement de l’entreprise, en tenant notamment compte des caractéristiques fiabilistes des équipements utilisés, ainsi que des coûts induits entre autres par le non-fonctionnement du système et la restauration des performances de ses composants après défaillance.<p><p>Le travail que nous avons réalisé dans le cadre de ce doctorat se concentre sur un aspect particulier de la sûreté de fonctionnement, à savoir les politiques de remplacement d’équipements basées sur la fiabilité des systèmes qu’ils constituent. La recherche menée part de l’observation suivante :si la littérature consacrée aux politiques de remplacement est abondante, elle repose généralement sur l’hypothèse implicite que les nouveaux équipements envisagés présentent les mêmes caractéristiques et performances que celles que possédaient initialement les composants objets du remplacement.<p>La réalité technologique est souvent bien différente de cette approche, quelle que soit la discipline industrielle envisagée. En effet, de nouveaux équipements sont régulièrement disponibles sur le marché ;ils assurent les mêmes fonctions que des composants plus anciens utilisés par une entreprise, mais présentent de meilleures performances, par exemple en termes de taux de défaillance, consommation d’énergie, " intelligence " (aptitude à transmettre des informations sur leur état de détérioration).<p>De plus, il peut devenir de plus en plus difficile de se procurer des composants de l’ancienne génération pour remplacer ceux qui ont été déclassés. Cette situation est généralement appelée obsolescence technologique.<p><p>Le but de ce travail est de prolonger et d’approfondir, dans le cadre de la sûreté de fonctionnement, les réflexions engagées par les différents articles présentés dans la section état de l’art afin de définir et de modéliser des stratégies de remplacements d’équipements soumis à obsolescence technologique. Il s’agira de proposer un modèle, faisant le lien entre les approches plus économiques et celles plus fiabilistes, permettant de définir et d’évaluer l’efficacité, au sens large, des différentes stratégies de remplacement des unités obsolètes. L’efficacité d’une stratégie peut se mesurer par rapport à plusieurs critères parfois contradictoires. Parmi ceux-ci citons, évidemment, le coût total moyen engendré par la stratégie de remplacement, seul critère considéré dans les articles cités au chapitre 2, mais aussi la façon dont ces coûts sont répartis au cours du temps tout au long de la stratégie, la variabilité de ces coûts autour de leur moyenne, le fait de remplir certaines conditions comme par exemple d’avoir remplacé toutes les unités d’une génération par des unités d’une autre génération avant une date donnée ou de respecter certaines contraintes sur les temps de remplacement.<p><p>Pour arriver à évaluer les différentes stratégies, la première étape sera de définir un modèle réaliste des performances des unités considérées, et en particulier de leur loi de probabilité de défaillance. Etant donné le lien direct entre la probabilité de défaillance d’un équipement et la politique de maintenance qui lui est appliquée, notamment la fréquence des maintenances préventives, leur effet, l’effet des réparations après défaillance ou les critères de remplacement de l’équipement, un modèle complet devra considérer la description mathématique des effets des interventions effectuées sur les équipements. On verra que la volonté de décrire correctement les effets des interventions nous a amené à proposer une extension des modèles d’âge effectif habituellement utilisés dans la littérature.<p>Une fois le modèle interne des unités défini, nous développerons le modèle de remplacement des équipements obsolètes proprement dit. <p><p>Nous appuyant sur la notion de stratégie K proposée dans de précédents travaux, nous verrons comment adapter cette stratégie K à un modèle pour lequel les temps d’intervention ne sont pas négligeables et le nombre d’équipes limité. Nous verrons aussi comment tenir compte dans le cadre de cette stratégie K d’une part des contraintes de gestion d’un budget demandant en général de répartir les coûts au cours du temps et d’autre part de la volonté de passer d’une génération d’unités à l’autre en un temps limité, ces deux conditions pouvant être contradictoires.<p>Un autre problème auquel on est confronté quand on parle de l’obsolescence technologique est le modèle d’obsolescence à adopter. La manière dont on va gérer le risque d’obsolescence dépendra fortement de la manière dont on pense que les technologies vont évoluer et en particulier du rythme de cette évolution. Selon que l’on considère que le temps probable d’apparition d’une nouvelle génération est inférieur au temps de vie des composants ou supérieur à son temps de vie les solutions envisagées vont être différentes. Lors de deux applications numériques spécifiques.<p><p>Nous verrons au chapitre 12 comment envisager le problème lorsque l’intervalle de temps entre les différentes générations successives est largement inférieur à la durée de vie des équipements et au chapitre 13 comment traiter le problème lorsque le délai entre deux générations est de l’ordre de grandeur de la durée de vie des équipements considérés.<p><p>Le texte est structuré de la manière suivante :Après une première partie permettant de situer le contexte dans lequel s’inscrit ce travail, la deuxième partie décrit le modèle interne des unités tel que nous l’avons utilisé dans les différentes applications. La troisième partie reprend la description des stratégies de remplacement et des différentes applications traitées. La dernière partie permet de conclure par quelques commentaires sur les résultats obtenus et de discuter des perspectives de recherche dans le domaine.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse s'intéresse à la modélisation et à l'analyse dessystèmes temps-réel distribués.Un système distribué est constitué de plusieurs composantsqui évoluent de manière partiellement indépendante. Lorsque des actionsexécutables par différentscomposants sont indépendantes, elles sont dites concurrentes.Dans ce cas, elles peuvent être exécutées dans n'importe quel ordre, sanss'influencer, et l'état atteint après ces actions ne dépend pas de leur ordred'exécution.Dans les systèmes temps-réel distribués, les contraintes de temps créent desdépendances complexes entre les composants et les événements qui ont lieu surces composants. Malgré l'omniprésence et l'aspect critique de ces systèmes,beaucoup de leurs propriétés restent encore à étudier.En particulier, la nature distribuée de ces systèmes est souvent laissée de côté.Notre travail s'appuie sur deux formalismesde modélisation: les réseaux de Petri temporels et les réseaux d'automatestemporisés, et est divisé en deux parties.Dans la première partie, nous mettons en évidence les différences entre lessystèmes temporisés centralisés et les systèmes temporisés distribués. Nouscomparons les formalismes principaux et leurs extensions, avec une approcheoriginale qui considère la concurrence.En particulier, nous montrons comment transformer un réseau de Petri temporelen un réseau d'automates temporisés qui a le même comportement distribué.Nous nous intéressons ensuite aux horloges partagées dans lesréseaux d'automates temporisés. Les horloges partagées sont problématiqueslorsque l'on envisage d'implanter ces modèles sur des architecturesdistribuées. Nous montrons comment se passer des horloges partagées, touten préservant le comportement distribué, lorsque cela est possible.Dans la seconde partie, nous nous attachons à formaliser les dépendancesentre les événements dans les représentations en ordre partieldes exécutions des réseaux de Petri (temporels ou non).Les réseaux d'occurrence sont une de ces représentations, et leur structuredonne directement les relations de causalité, conflit et concurrence entreles événements. Cependant, nous montrons que, même dans le cas non temporisé,certaines relations logiques entre les événements nepeuvent pas être directement décrites par ces relations structurelles.Après avoir formalisé les relations logiques en question, nous résolvons leproblème de synthèse suivant: étant donnée une formule logique qui décrit unensemble d'exécutions, construire un réseau d'occurrence associé,quand celui-ci existe.Nous étudions ensuite les relations logiques dans un cadre temporisé simplifié,et montrons que le temps crée des dépendances complexes entre les événements.Ces dépendances peuvent être utilisées pour définir des dépliages canoniques deréseaux de Petri temporels, dans ce cadre simplifié. / This thesis is concerned with the modeling and the analysis of distributedreal-time systems. In distributed systems, components evolve partlyindependently: concurrent actions may be performed in any order, withoutinfluencing each other and the state reached after these actions does notdepends on the order of execution. The time constraints in distributed real-timesystems create complex dependencies between the components and the events thatoccur. So far, distributed real-time systems have not been deeply studied, andin particular the distributed aspect of these systems is often left aside. Thisthesis explores distributed real-time systems. Our work on distributed real-timesystems is based on two formalisms: time Petri nets and networks of timedautomata, and is divided into two parts.In the first part, we highlight the differences between centralized anddistributed timed systems. We compare the main formalisms and their extensions,with a novel approach that focuses on the preservation of concurrency. Inparticular, we show how to translate a time Petri net into a network of timedautomata with the same distributed behavior. We then study a concurrency relatedproblem: shared clocks in networks of timed automata can be problematic when oneconsiders the implementation of a model on a multi-core architecture. We showhow to avoid shared clocks while preserving the distributed behavior, when thisis possible.In the second part, we focus on formalizing the dependencies between events inpartial order representations of the executions of Petri nets and time Petrinets. Occurrence nets is one of these partial order representations, and theirstructure directly provides the causality, conflict and concurrency relationsbetween events. However, we show that, even in the untimed case, some logicaldependencies between event occurrences are not directly described by thesestructural relations. After having formalized these logical dependencies, wesolve the following synthesis problem: from a formula that describes a set ofruns, we build an associated occurrence net. Then we study the logicalrelations in a simplified timed setting and show that time creates complexdependencies between event occurrences. These dependencies can be used to definea canonical unfolding, for this particular timed setting.

L'objectif de nos travaux est de développer un cadre méthodique afin de modéliser les préférences, les changements de comportement des individus ainsi que leurs impacts sur l'état d'un système complexe dans un contexte dynamique. L'utilisateur doit simuler les conséquences des politiques de transports et d'urbanisme sur l'offre et demande de stationnement, étape essentielle. Modéliser les préférences hétérogènes des usagers, intégrer des connaissances, selon des logiques comportementales différentes, ont justifié l'approche multi agents. Afin d'avoir des représentations adaptatives et évolutives des comportements des agents individus, les processus décisionnels et d'apprentissage sont modélisés au moyen d'un panier d'outils issus de l'optimisation des procédés industriels, des techniques Data Mining, de marketing. L'emploi personnalisé du simulateur avec l'interactivité utilisateursimulateur a motivé l'adaptation de ce cadre méthodique à la simulation des systèmes complexes sociétaux.