Cette thèse traite le problème de la modélisation des patrons de workflow sémantiquement riche et propose un processus pour développer des patrons de workflow. L'objectif est de transformer un processus métier en un patron de workflow métier basé sur les flux de contrôle qui garantit la vérification syntaxique et sémantique. Les défis majeurs sont : (i) de définir un formalisme permettant de représenter les processus métiers; (ii) d'établir des mécanismes de contrôle automatiques pour assurer la conformité des patrons de workflow métier basés sur un modèle formel et un ensemble de contraintes sémantiques; et (iii) d’organiser la base de patrons de workflow métier pour le développement de patrons de workflow. Nous proposons un formalisme qui combine les flux de contrôle (basés sur les Réseaux de Petri Colorés (CPNs)) avec des contraintes sémantiques pour représenter les processus métiers. L'avantage de ce formalisme est qu'il permet de vérifier non seulement la conformité syntaxique basée sur le modèle de CPNs mais aussi la conformité sémantique basée sur les technologies du Web sémantique. Nous commençons par une phase de conception d'une ontologie OWL appelée l’ontologie CPN pour représenter les concepts de patrons de workflow métier basés sur CPN. La phase de conception est suivie par une étude approfondie des propriétés de ces patrons pour les transformer en un ensemble d'axiomes pour l'ontologie. Ainsi, dans ce formalisme, un processus métier est syntaxiquement transformé en une instance de l’ontologie. / This thesis tackles the problem of modelling semantically rich business workflow templates and proposes a process for developing workflow templates. The objective of the thesis is to transform a business process into a control flow-based business workflow template that guarantees syntactic and semantic validity. The main challenges are: (i) to define formalism for representing business processes; (ii) to establish automatic control mechanisms to ensure the correctness of a business workflow template based on a formal model and a set of semantic constraints; and (iii) to organize the knowledge base of workflow templates for a workflow development process. We propose a formalism which combines control flow (based on Coloured Petri Nets (CPNs)) with semantic constraints to represent business processes. The advantage of this formalism is that it allows not only syntactic checks based on the model of CPNs, but also semantic checks based on Semantic Web technologies. We start by designing an OWL ontology called the CPN ontology to represent the concepts of CPN-based business workflow templates. The design phase is followed by a thorough study of the properties of these templates in order to transform them into a set of axioms for the CPN ontology. In this formalism, a business process is syntactically transformed into an instance of the CPN ontology. Therefore, syntactic checking of a business process becomes simply verification by inference, by concepts and by axioms of the CPN ontology on the corresponding instance.

Cette thèse porte sur le diagnostic des défauts dans des Systèmes à Evènements Discrets (SED) pour lesquels l’occurrence des événements est soumise à des contraintes temporelles. Les domaines d’application potentiels sont nombreux et variés allant de la production manufacturière aux systèmes de transport en passant par les réseaux de communication et les systèmes d’information. La complexité croissante de ces systèmes nécessite l’élaboration de méthodes de surveillance de plus en plus efficaces et performantes pour garantir leur sécurité, leur disponibilité ainsi que le maintien de leurs propriétés dans le temps. Les réseaux de Petri Stochastiques Temporisés Partiellement Observés (RdPSTPO) sont utilisés pour modéliser le système ainsi que les défauts qui peuvent l’affecter. L’étude concerne particulièrement les défauts qui se traduisent par la violation des contraintes temporelles. Une exploitation pertinente des informations temporelles, en vue du diagnostic, constitue la contribution majeure de la thèse. En effet, une meilleure utilisation de ces informations permet de discerner avec précision les différents comportements qui expliquent les mesures. De plus, la probabilité d’occurrence des défauts est calculée en fonction des dates des mesures collectées. Deux approches sont développées : la première est dédiée aux défauts ponctuels et la seconde aux dérives lentes dans les systèmes cycliques. / This PhD thesis deals with the fault diagnosis of Discrete Event Systems (DES) for which the occurrence of events is constrained by temporal specifications. The domain of application is large and varied ranging from manufacturing systems to transportation systems, communication networks and information systems. The increasing complexity of these systems requires the development of effective and efficient monitoring methods to ensure their security, availability and the maintenance of their properties over the time. For that purpose, Partially Observed Stochastic Timed Petri Nets (POSTPN) are used to model the system and the different faults that may affect it. The study is particularly concerned with faults that result after the violation of temporal constraints. Our main contribution in this thesis is the relevant exploitation of the timed information for the fault diagnosis. In fact, a better use of these temporal informations allow to discern with precision the different behaviors that are consistent with the measurements. In addition, the probability of faults occurrence is evaluated according to the dates of collected measurements. Two approaches are developed : the first one is used for single faults and the second one for slow drifts in cyclical systems.

Nos travaux portent sur l'analyse des systèmes de production automatisée à l'aide de réseaux de Petri. Le problème posé est de savoir si un système peut se bloquer complètement ou partiellement et si besoin de calculer un contrôleur garantissant son bon fonctionnement. Les systèmes de production se modélisent naturellement à l'aide d'une sous-classe des réseaux de Petri, les S3PRs. Ce modèle a été très largement étudie par le passe conduisant à des méthodes basées uniquement sur la structure du modèle. Dans ce travail, nous généralisons ces travaux aux modèles des WS3PR, une extension des S3PR ou la réalisation d'une active nécessite non par une ressource mais plusieurs ressources d'un même type et pour lesquels nous proposons des techniques originales combinant des éléments de Théorie des graphes et de théorie des nombres, améliorant même les méthodes du passe sur le modèle simple des S3PR.On présente une caractérisation fine de la vivacité d'un tel modèle basée la notion d'attente circulaire. Une attente circulaire peut être vue comme une composante connexe du sous graphe réduit aux transitions et aux places ressources du modèle. Puis nous démontrons que la non vivacité d'un WS3PR est équivalente a l'existence d' ≪ un blocage circulaire dans une attente circulaire ≫. Ce résultat généralise finement la caractérisation de la vivacité d'un S3PR. Apres avoir introduit la notion de ≪ circuits du graphe de ressources ≫ (WSDC), on construit une méthode de contrôle de ces verrous garantissant la vivacité du modèle d'autant plus efficace qu'une méthode de décomposition du réseau est proposée. Enfin, une traduction de traduit la condition de vivacité des WS3PR sous la forme d'un programme linéaire en nombres entiers est établie et des expérimentations ont démontré l'intérêt de la méthode pour contrôle de systèmes l'allocation des ressources. / As an indispensable component of contemporary advanced manufacturing systems, flexible manufacturing systems (FMSs) possess flexibility and agility that traditional manufacturing systems lack. An FMS usually consists of picking and placing robots, machining centers, logistic systems, and advanced control systems. Some of them can be recognized as its shared resources, which result in its flexibility but may lead to its deadlocks. As a classic problem in resource allocation systems, deadlocks may arise in a fully automated FMS and bring about a series of disturbing issues, from degraded and deteriorated system productivity and performance to low utilization of some critical and expensive resources and even long system downtime. Therefore, the analysis of and solution to deadlock problems are imperative for both a theoretical investigation and practical application of FMSs. Deadlock-freedom means that concurrent produc-tion processes in an FMS will never stagnate. Furthermore, liveness, another significant behavioral property, means that every production process can always be finished. Liveness implies deadlock-freedom, but not vice versa. The liveness-enforcement is a higher requirement than deadlock-freedom.From the perspective of the behavioral logic, the thesis focuses on the intrinsicallylive structures and deadlock control of generalized Petri nets modeling flexible manufacturing systems. Being different from the existing siphon-based methods, a concept of intrinsically live structures becomes the starting point to design, analyze, and optimize a series of novel deadlock control and liveness-enforcing methods in the work.The characteristics and essence of intrinsically live structures are identified and derived from subclasses of generalized Petri nets modeling FMSs with complex resource usage styles. In addition, the numerical relationship between initial markings and weights of connecting arcs is investigated and used to design restrictions that ensure the intrinsical liveness of global or local structures.With the structural theory, graph theory, and number theory, the thesis work achieves the goals of deadlock control and liveness-enforcement.The proposed methods are superior over the traditional siphon-based oneswith a lower computational complexity (or a higher computational efficiency),a lower structural complexity, and a better behavioral permissiveness of the controlled system.

La technologie de workflow, tendant à automatiser les processus d'entreprise et à fournir un support pour leur gestion, est aujourd'hui un secteur actif de recherche. C'est dans ce contexte que se situent ces travaux de thèse qui portent aussi bien sur la modélisation des processus workflow que sur leur vérification. Ces processus, pouvant être contraints par des ressources partagées ou encore par des durées de traitement, doivent être vérifiés avant d'être confiés aux systèmes de gestion de workflow qui vont les exécuter. Nous nous sommes intéressés par la vérification de la propriété de cohérence (soundness) des réseaux de workflow (WF-net) : sous-classes des réseaux de Petri (RdPs) modélisant les processus workflow.Dans ce cadre, en explorant la théorie structurelle des RdPs, nous avons identifié des sous-classes de WF-nets pour lesquelles la cohérence peut être vérifiée et caractérisée efficacement. Nous nous sommes focalisés en outre sur l'extension de ces sous-classes en tenant compte de la présence de ressources partagées et sur la propriété de cohérence en présence d'un nombre arbitraire d'instances prêtes à s'exécuter. Dans cette partie, nous avons dû automatiser le calcul des siphons minimaux dans un RdP. Pour ce faire, nous avons choisi un algorithme de la littérature et l'amélioré par la recherche et la contraction de circuits alternés.Ensuite, nous avons abordé la modélisation et la vérification de processus workflow tenant compte des contraintes temporelles. Nous avons en premier lieu proposé un modèle de TWF-net (WF-net Temporisé). Pour ce modèle, nous avons défini la propriété de cohérence temporelle et proposé une condition nécessaire et suffisante pour la vérifier. En deuxième lieu, nous avons relaxé les contraintes temporelles adoptées par la proposition d'un modèle temporel visant des processus à contraintes temporelles variant dans des intervalles de temps. Nous avons défini formellement le modèle de ITWF-net (Interval Timed WF-net) et donné sa sémantique. Par ailleurs, nous avons développé et testé un prototype de modélisation et de simulation des ITWF-nets.La dernière partie de cette thèse a concerné la vérification formelle des processus workflow par SPIN model checker. Nous avons dû en premier lieu traduire la spécification des workflows adoptée vers Promela : le langage de description des modèles à vérifier par SPIN. En second lieu, nous avons exprimé les propriétés de cohérence en Logique Linéaire Temporelle (LTL) et utilisé SPIN pour tester si chaque propriété est satisfaite par le modèle Promela du WF-net en question. Enfin, nous avons exprimé les propriétés de k-cohérence pour les WF-nets modélisant plusieurs instances et de (k,R)-cohérence pour les processus workflow concurrents et qui possèdent des ressources partagées. / Workflow technology, whose role is to automate business processes and to provide a support for their management, is today an active sector of research. This thesis deals with the modelling of the workflow processes and their analysis. These processes, probably constrained by shared resources or by durations of treatment, must be checked before being executed by their workflow management systems. In this direction, we were interested by the checking of the soundness property of workflow nets (WF-nets): subclasses of Petri nets modelling the workflow processes.To begin with, by exploring the structure theory of Petri nets, we have identified subclasses of WF-nets for which soundness can be checked and characterized effectively. We also extended these subclasses by taking account of the presence of shared resources and we focused on the soundness property in the presence of an arbitrary number of instances ready to be carried out. In this part, we had to automate the computation of minimal siphons in a Petri net. For that, we chose an algorithm of the literature and improved it by the research and the contraction of alternate circuits.Then, we were concerned by the modelling and the analysis of workflow processes holding temporal constraints. We initially proposed the model of TWF-net (Timed WF-net). For this model, we defined its soundness and proposed a method to check it. Then, we released the adopted temporal constraints by the proposal of a model covering workflow processes for witch temporal constraints vary in time intervals. We formally defined the model of ITWF-net (Interval Timed WF-net) and gave its semantics. In addition, we developed and tested a prototype of modelling and simulation of ITWF-nets.The last part of this thesis concerns the formal analysis of workflow processes with SPIN model checker. We initially translated the workflow specification into Promela: the model description language used by SPIN. Then, we expressed the soundness properties in Linear Temporal Logic (LTL) and used SPIN to test if each property is satisfied by the Promela model of a given WF-net. Moreover, we expressed the properties of k-soundness for WF-nets modelling several instances and (k,R)-soundness for competitive workflow processes which share resources.

Le contrôle de systèmes industriels à cause de l’automatisation et la réduction de nombre des opérateurs devient un enjeu crucial. Les systèmes de production automatisés (AMS) sont d’autant plus touchés car une défaillance du programme de contrôle peut réduire considérablement la productivité voire entraîner l’arrêt du système de production. Pour certains de ces systèmes où le partage des ressources est pondérant, la notion de blocage partiel ou global est fréquente et la validation avant implantation est préférable pour réduire les risques.En raison de la capacité des réseaux de Petri à décrire aisément l’exécution concurrente des processus et le partage des ressources, de nombreuses méthodes de vérification d’absence de blocage et de synthèse de contrôleurs basées sur la théorie structurelle ou le graphe d’accessibilité des réseaux de Petri ont été proposées au cours des deux dernières décennies.Traditionnellement, une méthode de prévention de blocage est évaluée selon trois critères de performance: la complexité structurelle, la permissivité comportementale, et la complexité de calcul. Les méthodes fondées sur l’espace d’état aboutissent généralement à un contrôle maximal permissif mais souffrent de l'explosion combinatoire de l'espace d'états. En revanche, les méthodes de synthèse de contrôleurs fondées sur l’analyse structurelle évitent le problème de l’explosion de l’espace d’état mais aboutissent à des superviseurs pouvant restreindre considérablement les comportements admissibles du système. De plus si la théorie structurelle de contrôle de siphons pour la synthèse des superviseurs est mature dans le cas des réseaux de Petri ordinaires, elle est en développement pour les réseaux de Petri généralises. Par ailleurs, la plupart des travaux existants partent du principe que les ressources sont constamment disponibles. Or l’indisponibilité de ressources est en réalité un phénomène ordinaire. Il serait donc judicieux de développer une politique de vérification de blocage qui soit efficace tout en considérant des ressources non fiables.Cette thèse vise principalement à faire face aux limitations mentionnées ci-dessus. Nos principales contributions à la fois théoriques et algorithmiques sont les suivantes.Premièrement, après avoir revisité les conditions de contrôlabilité des siphons (cs–propriété) et précisé les limitations de la max cs- propriété et max’ cs- propriété, nous définissons la max’’ cs-propriété et nous démontrons que cette nouvelle propriété est une condition non seulement suffisante mais aussi nécessaire pour la vivacité de la classe des GS3PR (Generalized Systems of SimpleSequential Processes with Resources).Par la suite nous montrons comment le problème de la vérification de cette propriété et donc la vivacité des GS3PR peut se ramener à la résolution d’un programme linéaire en nombre entiers.Dans une seconde partie, nous proposons une classe de réseaux de Petri appelée M-Nets dotée d’une forte capacité de modélisation des systèmes de production automatisés. En combinant la théorie du contrôle siphon avec la théorie des régions, nous développons une méthode de prévention de blocage ayant un bon compromis entre l'optimalité du comportement et la complexité de calcul. De plus, nous proposons une méthode de synthèse d'un contrôleur maximal permissif pour une sous-classe de réseaux notée b-nets.Enfin, nous proposons dans cette thèse une méthode de conception d’un superviseur de systèmes de production automatisés où les ressources ne sont pas toutes fiables et particulièrement efficace pour la classe des S3PR (Systems of Simple Sequential Processes with Resources). / Because of automation and reduction of the number of operators, the control of industrial systems is becoming a critical issue. For automated manufacturing systems (AMS) where resource sharing is preponderant, the notion of partial or total blocking is frequent and validation before implementation is preferable to reduce the risks.Due to the easy and concise description of the concurrent execution of processes and the resource sharing by Petri nets, many methods to verify deadlock-freeness and to synthesize controllers using structural theory or reachability graph have been proposed over the past two decades.Traditionally, a deadlock control policy can be evaluated by three performance criteria : structural complexity, behavioral permissiveness, and computational complexity. Generally, deadlock control policies based on the state space analysis can approach the maximal permissive behavior, but suffer from the state explosionproblem. On the contrary deadlock control policies based on the structural analysis of Petri nets avoid in general the state explosion problem successfully, but cannot lead to the maximally or near maximally permissive controller. Morover, the current Deadlock control theory based on siphons is fairly mature for ordinary Petri nets,while for generalized Petri nets, it is presently at an early stage.On the other hand, most deadlock control policies based on Petri nets for AMS proceed on the premise that the resources in a system under consideration are reliable. Actually, resource failures are inevitable and common in most AMS, which may also cause processes to halt. Therefore, it is judicious to develop an effective and robust deadlock control policy considering unreliable resources.This thesis aims to cope with the limitations mentioned above. Our main theoretical and algorithmic contributions are the following. Firstly, after revisiting the controllability conditions of siphons and limitations of max and max' controlled-siphon properties, we define the max'' cs property and we prove that this new cs-property is not only sufficient but also a necessary liveness condition forgeneralized systems of simple sequential processes with resources (GS3PR). Moreover, we show how the checking of this property and hence liveness of GS3PR nets can be translaled into resolution of an integer programming (IP) model.Secondly, we propose a class of manufacturing-oriented Petri nets, M-nets for short, with strong modeling capability. Combining siphon control and the theory of regions, we develop a deadlock prevention method that makes a good trade-off between behavioral optimality and computational tractability Moreover, this thesis proposes a maximally permissive control policy for a subclass of Petri nets (calledBéta-nets) based on the token distribution pattern of unmarked siphons.Finally, we propose a designs method for robust liveness-enforcingsupervisors for AMS with unreliable resources appropriate in particular for systems of simple sequential processes with resources(S3PR)

La surveillance d'entrepôts de produits chimiques est une opération délicate dans le sens où elle passe par une connaissance de la nature de chaque produit stocké, sur leur localisation, sur leur possible interaction et sur les actions à mettre en oeuvre en cas d'alerte. Pour faciliter cette gestion de stockage, cette thèse propose d'utiliser le concept de l'ambiant où le produit possède son propre système d'information et de communication sans fil de façon à le rendre intelligent et autonome. Cette thèse propose et développe un modèle de comportement interne de produit actif permettant une approche distribuée de sécurité active. Celui-ci permet d'aboutir à un protocole de communication de niveau applicatif à embarquer dans les produits actifs. Ce protocole est évalué de façon formelle en utilisant les Réseaux de Petri colorés hiérarchiques. Finalement, ce protocole est implémenté dans le simulateur Castalia/Omnet++ pour l'analyser dans plusieurs scénarii et aussi pour l'éprouver lors du passage à l'échelle. Les résultats montrent l'intérêt et la faisabilité du concept de produit actif / Monitoring of chemical product storage is a delicate operation in the sense that it requires knowledge of the nature of each stored product, their location, their interaction and possible actions to be implemented in case of emergency. To facilitate the storage management, this thesis proposes to use the concept of ambient where the product has its own information system and wireless communication so as to make it intelligent and autonomous. This thesis proposes and develops a model of internal behavior of active product that allows a distributed approach of active security. This can lead to a communication protocol of application level to embed the active products. This protocol is formally assessed using hierarchical colored Petri nets. Finally, this protocol is implemented in the simulator Castalia/Omnet++ to analyze it in several scenarios and also for the experience when going to scale. The results show the usefulness and feasibility of the concept of active product

Un Système de production peut être représenté par les systèmes à événements discrets. En dehors de la planification (où les gens travaillent avec des ratios de produits fabriqués par semaine ou par jour), la modélisation pourrait être basée sur les concepts d'événement et d'activités. Un événement correspond à un changement d'état. Une activité est une boîte noire d'encapsulation de ce qui se passe entre deux événements. En utilisant les réseaux de Petri (RdP), les événements sont représentés par les transitions, et les activités par les lieux. Notre travail propose une synthèse de commande par supervision pour les systèmes d'événements discrets modélisés par une classe de réseaux de Petri appelé graphe d'événements. L'objective de cette thèse est de concevoir un superviseur capable d'aider à améliorer la performance de système et de protéger le système en respectant des spécifications données par le fabricant ou le client selon les besoins et les conditions de travail. Pour modéliser ces spécifications, nous avons proposé un nouveau modèle mathématique de contrainte, appelé Contrainte d'Exclusion de Marquage (CEM). La deuxième contribution principale de ma thèse est de synthétiser une technique efficace et simple pour construire un superviseur qui impose le système de respecter des contraintes en évitant l'ensemble des états interdits modélisé par CEM. Nous avons également développé cette synthèse pour résoudre le problème d'existence des événements incontrôlables et des événements inobservables. Parfois, afin d'étudier les aspects liés à la performance, nous devons prendre le temps en considération. Donc, nous avons résolu aussi le problème des événements temporisé en utilisant RdP temporisés soumis à CEM / A manufacturing system may be represented by Discrete Event System (DES). Apart from planning (where people work with ratios of products fabricated per week or per day), any modelling could be based on the concepts of event and activities. An event corresponds to a state change. An activity is a black-box summarizing what is occurring between two events. When using Petri Nets, events are associated with transitions, and activities with places. Our work proposes a supervisory synthesis for Discrete Event System modelled by a class of Petri Net called Marked Graph. The objective of this synthesis is to build a control law that enforces the system to respect a set of given specifications. To model these specifications, we propose new mathematical formulas called Marking Exclusion Constraint (MEC). This model is our first contribution. The Second main contribution of my thesis is to synthesize a computationally efficient technique to build a supervisor that enforces the system to respect the constraints by avoiding a set of forbidden states modelled by MEC specifications. We extend this synthesis technique to solve the problem in the presence of uncontrollable events and unobservable events. Sometimes in order to study the performance aspects, we must take in consideration the time data. Thus we address control synthesis for Timed Discrete Event Systems under MEC specifications by using Timed Petri Nets

Ce mémoire, réalisé dans le cadre d’une thèse sous convention CIFRE avec la société Schneider-Electric et l’Université de Lorraine à travers le laboratoire du CRAN, porte sur l’évaluation des performances temporelles des architectures de contrôle-commande distribuées sur un réseau de communication. Le besoin industriel s’exprime sous la forme d’un outil d’aide au dimensionnement des architectures en phase d’avant-vente caractérisée par une connaissance partielle de ces dernières. Le problème scientifique sous-jacent est relatif à la génération automatique des modèles servant de support à l’évaluation. En effet, l’évaluation des performances doit être réalisée pour un ensemble important d’architectures, dans un temps court, difficilement compatible avec une construction manuelle des modèles. Notre contribution porte sur la définition formelle, à l’aide de réseaux de Petri colorés et temporisés, d’un modèle « constructeur » d’architectures embarquant des mécanismes de configuration, d’instanciation et de paramétrage. Plusieurs algorithmes sont proposés pour, d’une part, construire automatiquement le modèle d’une architecture donnée, à partir d’une description formelle de sa topologie et d’une librairie de modèles d’équipements de contrôle-commande, et, d’autre part, pour générer les observateurs requis à partir d’une description formelle des performances à évaluer. Ces différents algorithmes ont été implantés dans un outil interfacé, d’une part avec l’outil Schneider de description des architectures, et, d’autre part avec le simulateur de l’outil CPN Tools qui fournit une estimation des performances via des simulations de Monte-Carlo. L’intérêt de cette approche a été illustrée sur la base de quelques architectures types fournies par la société Schneider-Electric / This PhD dissertation, supported by CIFRE convention between the company Schneider-Electric and the University of Lorraine through the CRAN laboratory, deals with the assessment of temporal performances for a networked distributed control system. The industrial need was the development of a quotation and sizing tool of industrial control architecture during pre-sales stage. This stage is characterized by limited information about the process and the customers’ needs. The underlying scientific problematic was the ability to generate automatically models serving as support for the evaluation. In fact, performance assessment is realized for a wide range of architecture during a small amount of time, which is not compliant with a manual definition of the models. Our contribution is mainly based on a formal definition of a “builder” model with Colored and Timed Petri Nets which embeds mechanisms for configuration, instantiation and parameters setting of the architecture models. Several algorithms have been proposed for firstly build automatically the architecture Petri Nets model from a formal description of the topology and from a component model library and, secondly, for generating performance observers. Theses algorithms have been implemented on a tool gathering a user interface developed by Schneider –Electric and the Petri Nets simulator called CPN Tools which provides the performance assessment through Monte-Carlo simulation. The added value of this approach has been illustrated through case studies provided by Schneider-Electric

La méthodologie HILECOP a été élaborée pour la conception formelle de systèmes numériques complexes critiques ; elle couvre donc l'intégralité du processus, allant de la modélisation à la génération de code pour l’implantation sur la cible matérielle (composant électronique de type FPGA), en passant par la validation formelle. Or, si le modèle formel, les réseaux de Petri en l'occurrence, est par essence asynchrone, il est néanmoins exécuté de manière synchrone sur la cible. De fait, les approches d'analyse usuelles ne sont pas adaptées au sens où elles construisent des graphes d'états non conformes à l'évolution d'états réelle au sein de la cible. Dans l'objectif de gagner en confiance quant à la validité des résultats de l’analyse formelle, ces travaux visent à capturer les caractéristiques dites non-fonctionnelles, à les réifier sur le modèle et enfin à considérer leur impact à travers l’analyse. En d’autres termes, l’objectif est d’améliorer l’expressivité du modèle et la pertinence de l'analyse, en considérant des aspects comme la synchronisation d'horloge, le parallélisme effectif, le risque de blocage induit par l'expression conjointe d'un événement (condition) et d'une fenêtre temporelle d'occurrence, sans omettre la gestion des exceptions. Pour traiter tous ces aspects, nous avons proposé une nouvelle méthode d'analyse pour les réseaux de Petri temporels généralisés étendus interprétés exécutés en synchrone, en les transformant vers un formalisme équivalent analysable. Ce formalisme est associé avec une sémantique formelle intégrant toutes les aspects particuliers de l'exécution et un algorithme de construction d'un graphe d'états spécifique : le Graphe de Comportement Synchrone. Nos travaux ont été appliqués à un cas industriel, plus précisément à la validation du comportement de la partie numérique d'un neuro-stimulateur. / The HILECOP methodology has been developed for the formal design of critical complex digital systems; it therefore covers the entire design process, ranging from modeling to code generation for implementation on the hardware target (FPGA type electronic component), via formal validation. However, if the formal model, the Petri nets in this case, is inherently asynchronous, it is nevertheless executed synchronously on the target. In fact, the usual analysis approaches are not adapted in the sense that they construct state graphs that do not conform to the real state evolution within the target. In order to gain confidence in the validity of the results of the formal analysis, this work aims to capture the so-called non-functional characteristics, to reify them on the model and finally to consider their impact through the analysis.In other words, the aim is to improve the expressiveness of the model and the relevance of the analysis, considering aspects such as clock synchronization, effective parallelism, the risk of blocking induced by the expression of an event (condition) and a time window of occurrence, without omitting the management of exceptions.To deal with all these aspects, we have proposed a new method of analysis for extended generalized synchronous executed time Petri nets, transforming them into an analysable equivalent formalism. This formalism is associated with a formal semantics integrating all the particular aspects of the execution and dédicated state space construction algorithm: the Synchronous Behavior Graph.Our work has been applied to an industrial case, more precisely to the validation of the behavior of the digital part of a neuro-stimulator.

Notre propos est la conception assistée par ordinateur des scénarios comprenant des contenus multimédia qui interagissent avec les actions extérieures, notamment celles de l’interprète (e.g., spectacles vivants, installations muséales interactives et jeux vidéo). Le contenu multimédia est structuré dans un ordre spatial et temporel selon les exigences de l’auteur. Par conséquent, la complexité potentiellement élevée de ces scénarios nécessite des langages de spécification adéquats pour leur complète description et vérification.Partitions Interactives est un formalisme qui a été proposé comme un modèle pour la composition et l’exécution des scénarios multimédias interactifs. En outre, un séquenceur inter-médias, appelé ISCORE,a été élaboré à partir de la sémantique Petri net proposée par ce formalisme. Au cours des dernières années, I-SCORE a été utilisé avec succès pour la composition et l’exécution des spectacles et des expositions interactives. Néanmoins, ces applications et les applications émergentes telles queles jeux vidéo et les installations muséales interactives, de plus en plus exigent deux caractéristiques que la version stable actuelle de I-SCORE ainsi que son modèle sous-jacent ne supportent pas : (1)des structures de contrôle flexibles comme des conditionnelles et des boucles ; et (2) des mécanismes pour la vérification automatique de scénarios.Dans cette thèse, nous présentons deux modèles formels pour la composition et la vérification automatique de scénarios interactifs multimédia avec des choix interactifs, i.e., des scénarios où l’interprète ou le système peut prendre des décisions au sujet de leur état d’exécution avec un certain degré de liberté définie par le compositeur.Dans notre première approche, nous définissons un nouveau langage de programmation appelé REACTIVEIS dont les programmes sont définis comme des arbres représentant l’aspect hiérarchique des scénarios interactifs et dont les noeuds contiennent les conditions nécessaires pour démarrer et arrêter les objets temporels (TOS). En outre, nous définissons une sémantique opérationnelle basé sur des arbres marqués, contenant dans leurs noeuds, les informations sur le début et la fin de chaque TO. Nous définissons également une interprétation déclarative de REACTIVEIS comme formules de la logique linéaire intuitionniste avec sous exponentiels (SELL). Nous montrons que cette interprétation est adéquate : les dérivations dans la logique correspondent à des traces du programme et vice-versa.Dans notre deuxième approche, nous présentons un système basé sur des Automates Temporisés.Dans le système proposé, nous modélisons des scénarios interactifs comme un réseau d’automates temporisés et les étendons avec des points interactifs gardés par des conditions, permettant ainsi la spécification de comportements avec branchements. Par ailleurs, nous profitons des outils matures et efficaces pour simuler et vérifier automatiquement des scénarios modélisés comme des automates temporisés. Dans notre système, les scénarios peuvent être synthétisés dans un matériel reconfigurable afin de fournir une faible latence et l’exécution en temps réel.Dans cette thèse, nous explorons également une nouvelle façon de définir et mettre en oeuvre des scénarios interactifs, visant à un modèle plus dynamique en utilisant le langage réactif REACTIVEML.Enfin, nous présentons une extension des scénarios interactifs utilisant des réseaux de Petri colorés(CPN) qui vise à traiter des données complexes, en particulier, les données statiques et dynamiques de flux audio. / Interactive multimedia deals with the computer-based design of scenarios consisting of multimediacontent that interacts with external actions and those of the performer (e.g., multimedialive-performance arts, interactive museum installations, and video games). The multimedia content is structured in a spatial and temporal order according to the author’s requirements. Therefore, thepotentially high complexity of these scenarios requires adequate specification languages for theircomplete description and verification.Interactive scores is a formalism which has been proposed as a model for composing and performing interactive multimedia scenarios. In addition, an inter-media sequencer, called I-SCORE, hasbeen developed following the Petri Net semantics proposed by this formalism. During the last years,I-SCORE has been used successfully for the composition and performance of live performances and interactive exhibitions. Nevertheless, these applications and emergent applications such as videogames and interactive museum installations, increasingly demand two features that the current stable version of I-SCORE as well as its underlying model do not support: (1) flexible control structures such as conditionals and loops; and (2) mechanisms for the automatic verification of scenarios.In this dissertation we present two formal models for composition and automatic verification of multimedia interactive scenarios with interactive choices, i.e., scenarios where the performer or thesystem can take decisions about their execution state with a certain degree of freedom defined bythe composer.In our first approach, we define a novel programming language called REACTIVEIS. This language extends the full capacity of temporal organization of interactive scenarios by allowing the composerto use a defined logical system for the specification of the starting and stopping conditions of temporal objects (TOs). REACTIVEIS programs are formally defined as tree-like structures representing the hierarchical aspect of interactive scenarios and whose nodes contain the conditions needed to startand stop the TOs. Moreover, we define an operational semantics based on labeled trees, containing in their nodes, the information about the start and stop times of each TO.We show that this operational semantics offers an intuitive yet precise description of the behavior of interactive scenarios.We also endowed REACTIVEIS with a declarative interpretation as formulas in Intuitionistic LinearLogic with Subexponentials (SELL). We shall show that such interpretation is adequate: derivations in the logic correspond to traces of the program and vice-versa. Hence, we can use all the meta-theory of Intuitionistic Linear Logic (ILL) to reason about interactive scenarios and develop tools for theverification and analysis of interactive scenarios.In our second approach, we present a Timed Automata (TA) based framework. In the proposed framework, we model interactive scenarios as a network of timed automata and extend them with interactive points (IPs) guarded by conditions, thus allowing for the specification of branching behaviors.Moreover, we take advantage of the mature and efficient tools for TA to simulate and automatically verify scenarios. In our framework, scenarios can be synthesized into a reconfigurable hardware in order to provide a low-latency and real-time execution by taking advantage of the physical parallelism,low-latency, and high-reliability of these devices. Furthermore, we implemented a tool to systematically construct bottom-up TA models from the composition environment of I-SCORE. Doing that, we provide a friendly and specialized environment for composing and automatic verification of interactive scenarios. Finally, we present an extension of interactive scenarios using Colored Petri Nets (CPNs) thataims to handle complex data, in particular, dynamic and static data audio streams. [...]