Le travail de recherche initié dans cette thèse de doctorat s’inscrit dans le contexte du projet européen InTraDE (Intelligent Transportation for Dynamic Environment). Les aspects théoriques développés concernent la modélisation graphique de Système de systèmes (SdS). Ces derniers peuvent être modélisés sur plusieurs niveaux, allant du niveau microscopique au niveau macroscopique. Une approche à base d'hypergraphe est utilisée pour représenter les différents niveaux hiérarchiques d’un SdS ainsi que les propriétés fondamentales qui le définissent : l'indépendance, la coopération, la dispersion, et l'évolution des composants systèmes qui le constituent. La modélisation graphique proposée permet d’élaborer une stratégie de supervision en ligne en suivant les parcours ascendant et descendant de l'hypergraphe. Pour gérer le fonctionnement global des composants systèmes à un niveau de modélisation donné, un modèle graphique dynamique est extrait de l'hypergraphe. Ce dernier, permet d’appliquer une stratégie d'optimisation en ligne. Appliquée au système de transport intelligent, cette approche permet de déterminer à chaque instant le temps que mettra le véhicule autonome et intelligent pour atteindre sa cible lorsqu’il évolue dans un environnement évoluant en permanence. / This work has been realized in the framework of the European project InTraDE (Intelligent Transportation for Dynamic Environment). The main scientific contribution focuses on graphical modeling of System of Systems (SoS) in the engineering field. To model such systems, a graphical method based on hypergraph approach is proposed. Hypergraphs are used to describe the multiple hierarchical levels of a SoS and to describe its associated fundamental properties such as: the independence, cooperation, dispersion and the evolution of the component systems. Through this graphical modeling, online supervision strategies can be directly deduced. To manage the global operating of the component systems at a specific level, a dynamic graphical model is extracted from the hypergraph. This later allows the elaboration of an online optimization strategy. As a case study, an intelligent transportation system is considered. An online optimization algorithm currently updates, the time used for each intelligent autonomous vehicle to reach its target, in a permanently evolving environment.

L'objectif principal de cette thèse est la contribution à la modélisation graphique multi-niveaux, à la fois comportementale et organisationnelle pour la conception d’un système de systèmes d’ingénierie. Dans le présent travail, nous avons modélisé l’échange d’information entre les composants des systèmes, en présence des imperfections, avec un outil de modélisation graphique Bond Graph, décrivant l’échange de puissance dans les systèmes multi-domaines. Ce modèle permet d'identifier mathématiquement, la qualité du signal reçu par un composant système, suivant les perturbations apparentes dans le canal de transmission. Nous avons mené une expérience sur le comportement coopératif entre deux humanoïdes dans le cadre d’un système de systèmes. Ensuite, nous avons élaboré une méthode qualitative pour identifier le niveau de tolérance aux fautes sur un lien de communication, permettant ainsi d'introduire le principe de liens redondants dans le système de systèmes. Ensuite, nous avons proposé une méthodologie de modélisation hiérarchisée et hybride, combinant à la fois l’hypergraphe et le Bond Graph. Le premier est utilisé pour l’analyse organisationnelle multi-niveaux, tandis que le second est utilisé pour l’analyse comportementale des composants systèmes élémentaires. Enfin, pour valider cette approche de modélisation, un système de systèmes a été réalisé, composé d’un véhicule aérien sans pilote (UAV) et un véhicule autonome intelligent, dans laquelle l’UAV fournit des informations de navigation redondantes au véhicule autonome intelligent, pour être en mesure de manœuvrer en toute sécurité dans un espace confiné, lors de pertes des informations liées à la navigation locale. / The main focus of this thesis is on multilevel graphical modeling of behavior and organization of a set of component systems in a System of Systems concept. In the present work, we model the wireless communication link among component systems, with all its major effects, using a graphical modeling tool for describing flow of power in multi-physics domain called Bond Graph. This model permits identifying mathematically, the quality of signal received at information sink based on model parameter values. We conduct an experiment on cooperative behavior of two humanoids in a system of systems concept and demonstrate how we are able to experimentally measure the parameter values defined in our model.Next we justify how we are able to evaluate quantitatively, the fault tolerance level of a wireless communication link and introduce the need for redundant links in system of systems. Then we propose a methodology for coupling Hyper Graph, used for modeling the organization of component systems, and Bond Graph in multilevel graphical modeling of system of systems. Finally, we discuss another system of systems with two cooperating component systems, a Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and an intelligent autonomous vehicle (robuTAINer), in which the UAV will supply navigation information to the intelligent autonomous vehicle to be able to safely maneuver in a confined space. We develop algorithms for robuTAINer detection and navigation from UAV. Then we practically test our algorithms and analyze the obtained results.

Les systèmes à grande échelle intégrées qui travaillent ensemble pour une mission commune sont connus sous le nom de Systèmes de Systèmes (SdS). Ce travail propose une méthode de modélisation pour une classe de SdS, à savoir, les systèmes mécatronique, en utilisant l’approche de Bond graph. Cette approche est appliquée à un Système de Transport Intelligent par la modélisation de la dynamique du trafic de véhicules autonomes intelligent; où les communications de véhicule à véhicule et de véhicule à infrastructure sont considérées. Un tel ensemble de véhicules autonomes décrit l'organisation d'un SdS. La dynamique du trafic est modélisée sur trois niveaux d'abstraction, à savoir: sous-microscopique, microscopique, et macroscopique. Par la suite, les trois niveaux sont combinés pour développer un modèle multi-niveaux de la dynamique du trafic en utilisant la même approche du Bond graph. Le modèle est simulé dans des scénarios normaux et défectueux. Ensuite, le modèle est validé sur un simulateur en temps réel de la dynamique du véhicule. En plus, des expériences réelles sur véhicules autonomes intelligent sont effectuées pour valider le modèle. Enfin, le modèle est utilisé pour développer une stratégie de supervision du SdS de trafic basé sur l'analyse comportementale et structurelle du modèle bond graph. / Large-scale integrated systems working collectively for a common mission are known as Systems of Systems (SoS). In the present work, we propose a modeling method for a class of SoS, namely mechatronic systems, based on the Bond graph modeling approach. The proposed approach is applied to an Intelligent Transportation System (ITS) by modeling the traffic dynamic of Intelligent Autonomous Vehicles (IAVs); where Vehicle to Vehicle (V2V) and Vehicle to Infrastructure (V2I) communications are considered. Such set of autonomous vehicles describe the organization of a SoS. The traffic dynamic is modeled at three abstraction levels namely: submicroscopic, microscopic, and macroscopic levels. Subsequently, the three levels are combined to develop a multilevel model of the traffic dynamic using the same Bond graph approach. The model is simulated for normal and faulty scenarios. Then, the model is validated on a real-time simulator of vehicle dynamics. In addition, real experiments on IAVs are performed to validate the model. Finally, the model is used to develop a supervision strategy for the traffic SoS based on the behavioral and structural analysis of the Bond graph model.

Dans un monde de plus en plus connecté, le besoin d’interconnecter des systèmes hétérogènes apparait de plus en plus présent. Les Systèmes de Systèmes (SoS) sont une approche de supervision et de contrôle global où les systèmes constituants sont caractérisés comme des sous-systèmes du SoS. Certains de ces sous-systèmes peuvent être sujets à un environnement dynamique leur demandant d’évoluer pour répondre à de nouvelles exigences, voire de s’adapter s’ils doivent répondre à un besoin de disponibilité. La principale difficulté dans la gestion des évolutions possibles est qu’elles peuvent impacter plusieurs sous-systèmes connectés, et par extension, une vision globale comme celle proposée par un système de systèmes. Ainsi, les problèmes d’évolution et d’adaptation d’un SoS se posent. Dans un cadre d’ingénierie logicielle, cette thèse propose l’approche R-* qui soutient l’hypothèse que plus un système est Réflexif, et plus il devient capable de s’adapter, et donc d’évoluer. Trois contributions majeures et un cas d’utilisation sont proposés pour justifier l’intérêt de R-*. R-DDS et R-MOM ajoutent la capacité de réflexivité dans des sous-systèmes de communication asynchrones, et R-EMS ajoute la capacité de réflexivité sur la vision globale d’un SoS, incluant ses sous- systèmes et son environnement. R-DDS ajoute la réflexivité à l’intergiciel de Service de Distribution de Données dédié aux domaines du temps-réel et de l’embarqué. R-MOM remonte en abstraction pour proposer la réflexivité au niveau des fonctionalités d’un intergiciel asynchrone. R-EMS est un système de gestion d’environnement réflexif en support de l’utilisation d’un SoS. Finalement, le cas d’utilisation est une implémentation d’un sous-modèle du système de systèmes TACTICOS de THALES, qui servira également d’environnement d’évaluation. / In a connected world, interconnection of heterogeneous systems becomes a need. Systems of systems (SoS) answer to this need by providing global supervision and control over such systems, named sub-systems in the context of SoS. Some sub-systems face to a dynamic environment, therefore, they have to evolve in order to meet new requirements, and they have to perform adaptations whenever availability is a requirement. Main difficulty about evolution is it can concern a set of sub-systems, or a global vision such as one provided by system of systems. Therefore, the problems of evolution and adaptation are important. In the domain of software engineering, this thesis provides the R-* approach that defends the hypothesis that the more a system is Reflective, and the more it is able to adapt, and so, to evolve. Three major contributions and one use case justify R-*. R-DDS and R-MOM add reflective capabilities in asynchronous communication sub-systems, and R-EMS adds reflectivity on a global vision of a SoS, its sub-systems and its environment. R-DDS adds reflectivity to Data Distribution Service dedicated to real-time and embedded domains. R-MOM goes up in abstraction compared to R-DDS, in adding reflective capabilities at level of asynchronous middleware functionalities. R-EMS is a Reflective Environment Management System helping SoS use. Finally, use case and evaluation are done over a sub-model implementation of THALES’ SoS TACTICOS.

Notre thèse porte sur la Modélisation d'Entreprise et plus particulièrement sur une vision Ingénierie Système de celle-ci afin de faciliter son application « à minima » en entreprise. Alors que la modélisation d’entreprise arrive à maturité scientifique et technologique, force est de constater que sa pratique est encore trop peu courante. En outre, il n’existe pas à proprement parler de tâche de modélisation, de maintenance et de gestion de modèles dans l’entreprise. La question s’est alors posée de la relation d’interopération entre les systèmes, d’un Système-Entreprise évolutif, le plus souvent composé de façon ad-hoc de sous-systèmes (COTS), qui ont pour particularité d’encapsuler leur propre Savoir-Faire et leurs Ingénieries respectives, en incluant le Système-Produit (son besoin, son projet, …) à la source de chaque recomposition « à la demande » du Système-Entreprise. Un des objectifs de nos travaux est donc de faciliter l’interopération entre les ingénieries de ces systèmes interopérants (autour du produit A Faire) et l’Ingénierie du Système-Projet d’Entreprise (Pour Faire). Nous nous sommes alors inspirés de la proposition de Kuras pour formaliser notre Système-Entreprise (en fait son Ingénierie) dans une sorte de « Système de Systèmes d’Information » (SdSI) en tenant compte de ses aspects récursifs et multi-échelles dans un contexte organisationnel évolutif. De plus, en nous appuyant sur la théorie des patterns, nous avons identifié puis dérivé le « composite-pattern» pour mieux décrire la nature « Tout et Partie » de l’Holon Système-Entreprise utilisé par Kuras pour extraire le patron de conceptualisation le plus adéquat. Parmi tous les points de vue d’un système, cette dérivation nous permet de représenter ceux du Système A Faire et ceux du Système Pour Faire avec son contenu d’Ingénierie associée guidée par le cadre de modélisation de Zachman. Nous avons outillé notre proposition de cadre d’Ingénierie Système Basée sur des Modèles (ISBM) en étendant le méta-modèle de l’outil « MEGA Modelling Suite » ainsi qu’en développant les interfaces utilisateurs nécessaires et nous l’avons appliqué à l’Ingénierie d’un Système de Traçabilité d’un Produit dans le contexte d’un scénario PLM plausible entre l’AIPL et DIMEG. / Today’s needs for more capable enterprise systems in a short timeframe are leading more organizations toward the integration of existing component-systems. In the domain of Enterprise Modelling and more generally on Systems Engineering, the key issue is related to aligning enterprise models with the composite structure of the modelled systems. While Enterprise Modelling matures both scientifically and technologically, it is clear that its practice is still uncommon in the enterprises. There is no modelling approach in enterprise, neither even capitalization of models. This paper aims at proposing a Model-Based System Engineering (MBSE) approach, by using the recursion principle, together with a “multiple scales system thinking”, for capitalizing the engineering know-how, over time, during a project lifecycle. In this context, we advocate that, within an enterprise, the heterogeneous set of Information Systems may be considered as COTS (Commercial-Off-The-Shelf), encapsulating their own expertise (engineering), and contributing all together to a single System-of-Information System (SoIS). We are then proposing a SoIS engineering methodology resulting from deriving our MBSE approach with a recursive view of the Zachman framework. This approach, based on modelling rules and enterprise modelling constructs, is contributing to ensure the consistency and the completeness of the various heterogeneous models interoperating during systems engineering projects. To validate our MBSE proposal, a modelling tool has been prototyped. It helped at applying our SoIS engineering methodology in a use case scenario related to the requirement analysis and the specification of a product traceability system.

Un Système de Systèmes (SdS ou System of Systems - SoS) est un système complexe résultant de l'assemblage de composants existant ou à créer, de nature hétérogène (e.g. des systèmes techniques ou socio techniques appelés sous-systèmes, dispositifs techniques, acteurs ou organisations, ou encore des infrastructures plus ou moins complexes pouvant être perçues comme des SdS). Cet assemblage est nécessaire à ces composants pour agir et interagir avec d'autres composants afin de réaliser une mission commune, éventuellement limitée dans le temps et qu'aucun de ces composants ne pourrait réaliser seul. De fait, un SdS possède des caractéristiques particulières comme l'hétérogénéité, la possible émergence de propriétés et de comportements durant les interactions entre les composants et à leurs interfaces, la préservation de l'autonomie managériale et opérationnelle de ces composants, la répartition géographique de ces composants, un cycle de vie particulier, etc. L'Ingénierie Système (IS ou Systems Engineering - SE) propose et promeut un ensemble de concepts, de processus maintenant standardisés, l'usage incontournable de modèles (on parle alors de Model Based Systems Engineering – MBSE) et de bonnes pratiques pour concevoir et réaliser des systèmes complexes. Du fait de ses caractéristiques particulières, la conception et le développement d'un SdS (SoS Engineering - SoSE) est elle-même particulière même si elle emprunte à l'IS nombre de traits communs. En effet, le choix et l'assemblage des composants, leurs besoins en termes d'interfaces pour faciliter leurs interactions entre eux et avec l'environnement du SdS, les propriétés et comportements émergents entres autres caractéristiques, impliquent des efforts de la part des personnes en charge d'un SdS. Il faut alors, pour les aider dans leurs tâches, conceptualiser et développer des langages, méthodes et outils supports. Le SoSE a en effet des besoins particuliers de modélisation, de vérification, de validation de modèles. Il nécessite également de disposer de moyens de simulation et d'évaluation du comportement global du SdS et de ses propriétés, par exemple, lorsqu'il doit faire face à des événements redoutés (e.g. ajout, modification ou retrait d'un composants, évolution de la mission, etc.). Le but est que ces personnes puissent progresser en confiance et leur donner les moyens de fournir des modèles de SdS avec lesquels l'analyse des propriétés du SdS devient possible, avant même d'alimenter les activités de décision et d'optimisation en cours de conception du SdS. Ce travail s'intéresse à une propriété importante pour les SdS et leurs composants : l'interopérabilité. Elle est vue ici comme une exigence sommative des capacités et des capabilités des composants à être et rester compatibles, à inter opérer efficacement, à rester autonome pendant l'interaction et à la réversibilité de la relation d'interaction lorsque celle-ci s'achève. L'interopérabilité garantit donc ou, à défaut, maximise la capacité d'un composant à travailler sans perte et harmonieusement avec un autre composant, dans différentes situations et avec un niveau de performance attendu, tout en respectant un ensemble d'autres exigences venant des parties prenantes impliquées ou concernées par le SdS visé.Cette thèse consiste à formaliser et à développer une méthode pour accompagner la modélisation, la vérification de modèles et l'analyse de l'interopérabilité dans un SdS. En conséquence elle repose sur 1) un ensemble de concepts et de relations entre ces concepts pour décrire un SdS et la propriété d'interopérabilité, 2) des langages spécifiques de modélisation (DSML) pour manipuler ces concepts et relations et donc créer des « modèles » de SdS, 3) d'un processus opératoire et 4) d'outils de modélisation, de vérification des modèles, de simulation du comportement et d'évaluation de l'interopérabilité et de son influence sur la performance, la stabilité et l'intégrité du SdS en cours de fonctionnement. / A System of Systems (SdS) is a complex system which is seen as a group of, in most cases, existing and heterogeneous entities (e.g. technical systems or socio-technical called subsystems, actors or organizations or even complex infrastructures that can be considered as SoS) assembled together in order to interact, during a timeframe to produce some kind of capabilities, products or services and to achieve a global mission that a system alone cannot fulfill. Moreover, the SoS has some particular characteristics such as: Operational Independence and Managerial Independence (autonomy), Evolutionary Development, Emergent Behavior, Geographic distribution, Connectivity and Diversity etc. The systems engineering (SE) provides and promotes a set of concepts, principles, processes, standards, an essential use of models (Model Based Systems Engineering - MBSE)and a good practice to design and conduct complex systems. However, even if the System of Systems Engineering (SoSE) shares some common features with the SE, SoS characteristics, assembling, interfacing and interactions between its entities, induce an additional effort, required from the persons responsible of the SoS, over the SE. Therefore, and in order to help these persons in their tasks, it is necessary to conceptualize and develop languages, methods and tolls supports. The SoSE has special needs in terms of modeling and models' verification and validation. Moreover, it requires to have means to simulate and evaluate the global behavior of the SoS and its properties, for example, when it has to face dangerous events (e.g. adding, removing or modifying a component, mission's evolution etc.). The aim is to help designers and engineers to progress in confidence by giving them the means to have SoS models with which the analysis of the SoS properties becomes possible. In this work, a particular attention is given to an important property of the SoS and its components: the interoperability. It is seen here as a summative requirement of components capacities and capabilities to remain compatible, to interoperate and to remain autonomous during the interactions and reversible after it. The interoperability guarantees or, by default, maximizes the capacity of a component to work, harmoniously and without any loss, with another component, in various situations and with an expected level of performance while respecting a set of requirements (stakeholders involved or concerned by the SoS).This thesis consists in formalizing and developing a method to support modeling, model's verification and the analysis of the interoperability in a SoS. Therefore, it is based on 1) a set of concepts and relationships between these concepts to describe a SoS as well as the interoperability property, 2) Domain Specific Modeling Languages (DSMLs) to manipulate these concepts and relationships and thus creating a SoS' model, 3) an operating process and 4) a modeling and verification tools, simulating behavior and evaluation of the interoperability and its impact on the SoS performance, stability and integrity while it is operating.

Le vieillissement de la population est une tendance mondiale. Selon les estimations, en 2050, 2,1 milliard de personnes seront âgés de 60 ans ou plus. Les logiciels d’aide aux soins de santé à domicile (ou en anglais Healthcare Supportive Home- HSH Systems) ont été proposés pour répondre à la forte demande de soins de santé à distance pour les personnes âgées vivant seules. Étant donné que les équipes de professionnels de la santé ont besoin de collaborer pour continuellement surveiller l’état de santé des patients souffrant de maladies chroniques, il est nécessaire de faire coopérer les systèmes logiciels d’e-santé préexistants. Cependant, les systèmes de HSH actuels sont propriétaires, monolithiques, fortement couplés et coûteux ainsi que la plupart d’entre eux ne considèrent pas les interactions dynamiques avec systèmes de e- Health fonctionnant à l’intérieur du domicile (e.g., des robots compagnons interactifs ou moniteurs d’activité) ni à l’extérieur de la maison. Ces systèmes sont parfois conçus et fondés sur des législations locales, des configurations des systèmes de santé spécifiques (e.g., publique, privé ou hybride), des plans nationaux de soins de santé, et des ressources technologiques disponibles ; leur réutilisation dans d’autres contextes est donc souvent limitée. De ce fait, les systèmes de HSH fournissent une vue limitée de l’état de santé des patients, sont difficiles à évoluer en fonction de l’évolution de la santé des patients et ne permettent pas la surveillance constante des patients. Ils ont des limites sérieuses pour aider l’autogestion des multiples maladies chroniques. En réponse à ces problématiques, cette thèse propose HomecARe, une architecture de référence pour permettre le développement des systèmes logiciel de HSH de qualité. HomecARe considère les systèmes HSH comment Systèmes-de-Systèmes (en anglais Systems-of- Systems - SoS) (i.e., systèmes complexes à grande échelle qui sont composées de systèmes hétérogènes, distribués, et avec indépendance opérationnelle et managériale), qui réalisaient leurs missions (e.g., l’amélioration de la qualité de vie des patients) grâce aux comportements qui émergent des collaborations entre les différents systèmes constitutifs. Pour établir HomecARe, un processus systématique pour la conception des architectures de référence a été adopté. HomecARe représente la connaissance du domaine et des solutions architecturales (e.g., patrons et stratégies d’architecture) en utilisant les points de vue architecturales des concepts, missions, et qualité. Pour évaluer HomecARe, un cas d’étude a été mené. Dans cette étude, HomecARe a été utilisé dans la conception de l’architecture logicielle du DiaManT@Home, un système de HSH pour l’assistance aux patients diabétiques. Les résultats montrent qui HomecARe est une solution viable pour guider le développement des systèmes de HSH réutilisables, interopérables, fiables, sécurisés, et adaptatifs. Cette thèse apporte d’importantes contributions dans les domaines d’e-santé, architectures logicielles, et architectures de référence de SoS. / Population ageing has been taking place all over the world, being estimated that 2.1 billion people will be aged 60 or over in 2050. Healthcare Supportive Home (HSH) Systems have been proposed to overcome the high demand of remote home care for assisting an increasing number of elderly people living alone. Since a heterogeneous team of healthcare professionals need to collaborate to continually monitor health status of chronic patients, a cooperation of pre-existing e-Health systems, both outside and inside home, is required. However, current HSH solutions are proprietary, monolithic, high coupled, and expensive, and most of them do not consider their interoperation neither with distributed and external e-Health systems, nor with systems running inside the home (e.g., companion robots or activity monitors). These systems are sometimes designed based on local legislations, specific health system configurations (e.g., public, private or mixed), care plan protocols, and technological settings available; therefore, their reusability in other contexts is sometimes limited. As a consequence, these systems provide a limited view of patient health status, are difficult to evolve regarding the evolution of patient’s health profile, do not allow continuous patients monitoring, and present limitations to support the self-management of multiple chronic conditions. To contribute to solve the aforementioned challenges, this thesis establishes HomecARe, a reference architecture for supporting the development of quality HSH systems. HomecARe considers HSH systems as Systems-of-Systems (SoS) (i.e., large, complex systems composed of heterogeneous, distributed, and operational and managerial independent systems), which achieve their missions (e.g., improvement of patients’ quality of life) through the behavior that emerges as result of collaborations among their constituents. To establish HomecARe, a systematic process to engineer reference architectures was adopted. As a result, HomecARe presents domain knowledge and architectural solutions (i.e., architectural patterns and tactics) described using conceptual, mission, and quality architectural viewpoints. To assess HomecARe, a case study was performed by instantiating HomecARe to design the software architecture of DiaManT@Home, a HSH system to assist at home patients suffering of diabetes mellitus. Results evidenced HomecARe is a viable reference architecture to guide the development of reusable, interoperable, reliable, secure, and adaptive HSH systems, bringing important contributions for the areas of e-Health, software architecture, and reference architecture for SoS.

La complexité croissante de notre environnement socio-économique se traduit en génie logiciel par une augmentation de la taille des systèmes et par conséquent de leur complexité. Les systèmes actuels sont le plus souvent concurrents, distribués à grande échelle et composés d’autre systèmes. Ils sont alors appelés Systèmes de Systèmes (SdS). La complexité des systèmes de systèmes réside dans leurs cinq caractéristiques intrinsèques qui sont : l’indépendance opérationnelle des systèmes constituants, leur indépendance managériale, la distribution géographique, l’existence de comportements émergents, et enfin un processus de développement évolutionnaire. Les SdS évoluent dans des environnements non prévisibles et intègrent constamment de nouveaux systèmes. Nous avons traité la problématique du développement évolutionnaire d’un SdS en utilisant la reconfiguration dynamique. Nous avons défini un processus pour élaborer des modèles de configurations et un processus de conception de la reconfiguration intégrant le concept de patron de reconfiguration. Pour la validité et la faisabilité de notre approche, nous avons développé un framework d’expérimentation basé sur notre cas d’étude réel d’organisation des systèmes de secours français. / The growing complexity of our socio-economic environment is reflected in software engineering by an increase of the size of systems and therefore their complexity. Current systems are mostly concurrent, widely distributed and composed of other systems. They are then called Systems of Systems (SoS). The complexity of systems of systems lies in five intrinsic characteristics: the operational independence of the constituent systems, their managerial independence, the geographical distribution, the existence of emerging behaviours, and finally an evolutionary development process.SoS evolve in unpredictable environment and are constantly integrating new systems. We deal with the problem of the evolutionary development of a SoS by using dynamic reconfiguration. We have defined a process for developing configuration models and a reconfiguration design process incorporating the concept of reconfiguration pattern. For the validity and feasibility of our approach, we have developed an experimental framework based on our real case study of organization of the French emergency service.

Les systèmes actuels tendent à être intégrés les uns avec les autres. Mais cette intégration n'est pas forcément prévue à l'origine du système. Cette tendance créée des systèmes de systèmes. Un système de système de systèmes est un système constitué de systèmes qui sont gérés par des équipes indépendantes, qui sont fonctionnellement indépendants, qui collaborent, qui évoluent et qui sont géographiquement distribués. La communication entre les différentes équipes facilite la conception d'un système de systèmes. Cette communication peut être réalisée par l'utilisation de modèles et de simulation. Cependant, la modélisation du système de systèmes et la modélisation des simulations ne reposent pas sur les mêmes langages. Pour assurer la cohérence des modèles, il faut pouvoir créer les modèles de simulation à partir des modèles système. Cependant, il faut tenir compte des contraintes liées aux propriétés des systèmes de systèmes. Il faut être capable de manipuler des modèles systèmes réalisés dans des langages différents, de réaliser des simulations de natures différentes et suivre les évolutions des langages de modélisation et des outils de simulation. Pour répondre à ces problématiques, nous avons défini l'environnement Role4AII pour la manipulation de modèles systèmes réalisés dans des langages hétérogènes. Role4AII est basé sur la notion de rôles. Les rôles permettent de créer des simulations en accédant aux informations contenues dans des éléments de modèles indépendamment de leur type. Role4AII est capable de prendre en entrée des modèles sérialisés par différents outils grâce à l'utilisation de parsers combinateurs. Ces derniers apportent modularité et extensibilité aux fonctionnalités d'import. L'environnement Role4AII a été utilisé sur un exemple de système de systèmes : l'observatoire sous-marin MeDON. / Current Systems tend to become integrated with each others. However, this intégration may not be designed for the System. This trend raises the concept of System of Systems. A System of Systems is a System made of Systems which are managed independently, functionaly independent, collaborating, evolving and geographically distributed. The communication among the different teams eases the design of the System of Systems. This communication may be made through the use of models and simulation.However, System of Systems models and simulation models do not rely on the same modeling languages. In order to ensure coherency between the two types of models, simulation models should be obtained from System models. But this approach should take into account the constraints coming from the properties of System of Systems. System models made in different modeling languages should be handled, simulation of different kinds should be generated and the evolution of both modeling languages and simulation tools should be managed.In order to tackle these issues, we defined the Role4AII environment to manipulate System models made in heterogeneous modeling languages. Role4AII is based on the concept of rôles. Rôles enable to create simulations by accessing to information stored in model éléments despite their types differences. Role4AII is able to take as input serialized models from different modeling tools by using parser combinators. Parser combinators bring modularity and extensibility to the import features. Role4AII has been used on a System of System example: the MeDON seafloor observatory.

Le travail de recherche propose et développe un cadre de système des systèmes (SdS) pour l’analyse de risques des installations industrielles et des infrastructures critiques. Les méthodes pour la représentation, la modélisation et la simulation d’un système sont développées pour identifier les particularités du SdS quant à leur vulnérabilité et leur résilience physique à des défaillances aléatoires et risques naturels. Plusieurs techniques de représentation, telles que l’arbre de défaillances, le Muir Web, la modélisation hiérarchique, le Goal Tree Success Tree – Dynamic Master Logic Diagram, sont étudiées et approfondies depuis l’origine pour s’adapter aux objectifs de l’analyse de SdS. Une méthode de représentation est développée ex novo, à savoir, le graphe hiérarchique. Dans ces cadres de représentation, des états binaires et multiples sont utilisés pour modéliser les performances des SdS à analyser. La simulation Monte Carlo et l’analyse d’intervalle sont combinées pour évaluer quantitativement des modèles de SdS en présence d’incertitude (due à la variabilité naturelle d’un phénomène ou au manque d’information). La mise en oeuvre de ces approches est illustrée dans deux domaines d’application : l’évaluation du risque d’événements externes et la vulnérabilité d’infrastructures critiques. / This thesis propounds and develops a system-of-systems (SoS) framework for the risk analysis of industrial installations and critical infrastructures. System representation, modeling and simulation methods are developed to capture the peculiar features of SoS, with respect to their vulnerability and physical resilience to random failures and natural hazards. Several representation techniques of literature, i.e., Fault Tree, Muir Web, Hierarchical Modeling, Goal Tree Success Tree – Dynamic Master Logic Diagram, are explored and originally extended/tailored to fit the purpose of SoS analysis. One representation method is developed ex-novo, namely the Hierarchical Graph. Within these representation frameworks, binary and multiple states are used to model the performances of the SoS under analysis. Monte Carlo simulation and interval analysis are combined for the quantitative evaluation of the SoS models in presence of uncertainty (due to both randomness and lack of knowledge). Examples of analyses are carried out within two application areas: external event risk assessment and vulnerability of critical infrastructures.