Systèmes-de-systèmes (Systems-of-Systems, SoS) sont des systèmes à logiciel prépondérant de grande échelle, complexes et souvent critiques dont l’importance n’a cessé de croître dans cette décennie. C’est le cas, par exemple, des SoS pour les réseaux intelligents d’énergie, les transports multimodaux et les villes intelligentes. On retrouve les SoS dans des domaines d’application très variés tels que l’environnement, le transport, l’énergie, la santé, l’aérospatiale, l’aéronautique et l’automobile. Pour maîtriser la complexité de tels systèmes évolutionnaires à logiciel prépondérant, il est fondamental de pouvoir concevoir leurs architectures logicielles afin de satisfaire leurs exigences fonctionnelles et non-fonctionnelles. En particulier, il est nécessaire de modéliser et exécuter des processus systématiques pour concevoir les architectures logicielles de SoS. Malgré ce besoin croissant, la plupart de leurs architectures logicielles sont encore développées de manière ad hoc. En général, il y a un manque de processus structurés pour concevoir les architectures des SoS. Cet état de l’art entrave leur développement, notamment pour les applications critiques. Cette thèse présente SOAR (General Process for Acknowledged SoS Software Architectures) qui rend possible la mise en place de processus de conception architecturale pour SoS reconnus. Ce framework de processus a été conçu pour fournir différents niveaux de support en fonction des différents contextes de développement de SoS. Il comprend un noyau de haut niveau qui décrit ce qu’il faut faire pour la conception des architectures de SoS et ainsi que trois pratiques avec des activités spécifiques et des produits de travail pour guider l’analyse, la synthèse et l’évaluation architecturale. SOAR a été implémenté à l’aide d’Essence (Kernel and Language for Software Engineering Methods), un Standard OMG/SEMAT. Afin de valider SOAR, trois enquêtes, une étude de viabilité et une expérimentation ont été menées. Les résultats obtenus dans ces trois études montrent que SOAR répond positivement au besoin exprimée. / System-of-Systems (SoS) refer to complex, large-scale, and often critical software-intensive systems whose importance has rapidly grown over this decade. This is the case, for instance, of SoS for energy grids, multimodal traffic control, and smart cities. We find SoS in different application areas as diverse as environment, transportation, energy, healthcare, aerospace, aeronautics, and automotive. For mastering the complexity of such evolutionary software-intensive systems, it is fundamental to be able to design their software architectures for satisfying both functional and non-functional requirements. In particular, there is the need to model and enact systematic processes to design SoS software architectures. Despite this increasing necessity, most of the SoS software architectures have been still developed in an ad hoc manner. In general, there is a lack of structured processes for architecting SoS. This state-of-art hinders SoS development, in particular for critical applications. This thesis presents SOAR (General Process for Acknowledged SoS Software Architectures) that supports the modeling and enactment of architectural design processes for acknowledged SoS. Conceived to provide different levels of support according to different SoS development contexts, it comprises a high-level kernel that describes what must be done when architecting SoS and also three practices with specific activities and work products to guide how to perform architectural analysis, synthesis, and evaluation. SOAR was implemented using Essence (Kernel and Language for Software Engineering Methods), an OMG/SEMAT Standard. To validate SOAR, three surveys, a viability study, and an experiment were conducted. Results achieved in these studies indicate that SOAR positively meets the expressed need.

Contexte : Les systèmes à logiciels prépondérants sont de plus en plus interopérables formant des alliances nommées « Systèmes-des-Systèmes » (SdS). Les applications des SdS peuvent aller des systèmes de gestion du trafic jusqu’aux systèmes de gestion de crises. Étant donné que les SdS supportent souvent des domaines critiques, ils doivent être fiables en traitant les disfonctionnements ou les défauts et en évitant les défaillances qui pourraient causer des dégâts et pertes importantes aux utilisateurs.Problème : Ajuster les opérations d’un SdS dépend d’une spécification précise et une attestation rigoureuse de sa consistance opérationnelle. Cependant, en plus des limitations des langages pour capturer conjointement la structure et le comportement des SdS, les prédictions de la consistance opérationnelle des SdS reposent sur leurs systèmes constitutifs qui ne sont pas totalement connus au moment de la conception. Par conséquent, les SdS ont été développés et déployés sans évaluation de leurs opérations, puisque les langages actuels ne supportent pas ce type de précision lors de l’évaluation. Objectif : Cette thèse fournit des solutions théoriques et pratiques basées sur un langage formel de description d’architectures pour supporter une évaluation précoce des opérations du SdS par rapport à la structure et le comportement du SdS à travers les simulations. Contributions : Les contributions essentielles de ce projet comprennent (i) une approche de transformation des modèles pour produire automatiquement des modèles de simulation à partir des descriptions des architectures logicielles du SdS, combinant la description structurelle et comportementale du SdS dans la même solution, (ii) une méthode d’évaluation de l’architecture logicielle du SdS pour la prédiction des opérations du SdS tout en considérant les changements inhérents qui peuvent se produire, (iii) la modélisation de l’environnement et la génération automatique des générateurs de stimulus pour soutenir la simulation des SdS, livrant des données pour nourrir tel simulation, et (iv) une méthode pour la synchronisation automatique entre l’architecture descriptive d’exécution (qui change à l’exécution par suite de l’architecture dynamique) et son architecture prescriptive d’origine basée sur des mécanismes de découverte et de récupération de modèles et une transformation de modèle à l'envers.Évaluation : Nous avons conduit des cas d’études pour évaluer nos approches en utilisant le SdS de surveillance des inondations et le SdS d’espace.Résultats : Notre approche montre une précision importante pour (i) produire des simulations des architectures logicielles des SdS sans failles et complètement opérationnelles, (ii) supporte une évaluation et une prédiction fiable des opérations du SdS à la phase de conception, (iii) génère de manière automatique des générateurs de stimuli pour soutenir et nourrir l’exécution de la simulation et (iv) maintien la synchronisation entre les versions descriptives et prescriptives de l’architecture du SdS.Conclusion : Nous avons conclu que les approches proposées font évoluer l’état de l’art de l’évaluation des architectures logicielles des SdS en offrant des solutions pour prédire l’efficacité des opérations du SdS pour maintenir une opération continue malgré les changements architecturaux, fournissant plus de confidence aux utilisateurs qui reposent dans l’avenir sur les services du SdS. / Context: Software-intensive systems have been increasingly interoperated forming alliances termed as “Systems-of-Systems” (SoS). SoS comprises a collection of systems joined to achieve a set of missions that none of the systems can individually accomplish. Each constituent system keeps its own management, goals, and resources while coordinating within the SoS and adapting to meet SoS goals. Applications of SoS range from traffic control to emergency response and crisis management. As SoS often support critical domains, such systems must be trustworthy by dealing with malfunction or defects and avoiding failures that could cause extensive damage and losses to the users.Problem: Correct SoS operations depend on a precise specification of the SoS structure and a rigorous attestation of its behaviors. However, besides limitations on languages to jointly capture SoS structure and behavior, predictions on the SoS emergent behaviors rely on constituent systems not totally known at design-time. Therefore, SoS have been developed and deployed without evaluating their operation, since current languages do not support such precision in evaluation.Objectives: This PhD project provides solutions founded on a formal architectural description language to support an early evaluation of SoS behaviors regarding its inherent SoS structure and dynamics through simulations.Contribution: The main contributions of this project comprise (i) a model transformation approach for automatically producing simulation models from SoS software architecture descriptions, combining SoS structure and behavior description in a same solution, (ii) a SoS software architecture evaluation method for SoS operation prediction considering the inherent changes that can occur, (iii) environment modeling and automatic generation of stimuli generators to sustain the SoS simulation, delivering data to feed such simulation, and (iv) a method for the automatic synchronization between the runtime descriptive architecture (changed at runtime due to dynamic architecture) and its original prescriptive architecture based on model discovery and recovery mechanisms and a backward model transformation.Evaluation: We conducted case studies to assess our approaches using Flood Monitoring SoS and Space SoS.Results: Our approaches show a high accuracy to (i) produce fault-free and operational simulations for SoS software architectures, (ii) support a reliable evaluation and prediction of SoS operation at design-time, (iii) automatically generate stimuli generators to sustain and feed the simulation execution, and (iv) maintain the synchronization between descriptive and prescriptive versions of the SoS architecture.Conclusions: We concluded that the proposed approaches advance the state of the art in SoS software architecture evaluation by offering solutions to predict the SoS operations effectiveness to maintain a continuous operation despite architectural changes, providing more trust for users that in the future shall rely on SoS services.

Le développement de Systèmes de Systèmes a pris de l'ampleur dans de nombreux domaines. Aujourd'hui, les applications complexes nécessitent que plusieurs systèmes développés indépendamment coopèrent ensemble, ce qui conduit au concept de Systèmes de Systèmes. Malgré une telle popularité, aucun consensus n'y a pas encore pu être atteint sur une définition précise de ce que sont les Systèmes de Systèmes. De plus, le nœud du problème est que la plupart des applications sont encore construites à la main et développées de manière ad hoc, c'est-à-dire, sans contraintes et sans être guidées par une structure prédéfinie. Développer un système de systèmes à la main est une tâche herculéenne pour un architecte informatique, en lui demandant de créer un entrelacement de connexions entre les systèmes composant du Système de Systèmes pour qu'ils puissent coopérer. En raison d'un tel entrelas, la complexité et le couplage serré augmentent, et l'évolution des Systèmes de Systèmes devient plus difficile, nécessitant des efforts substantiels. Pour trancher le nœud gordien auquel font face les architectes de Systèmes de Systèmes, nous proposons dans cette recherche un « framework » générique pour faciliter le développement de Systèmes de Systèmes dans le cadre de l'ingénierie des systèmes. Notre approche introduit une nouvelle architecture que nous appelons MBA pour Memory-Broker-Agent. Pour tester notre framework, nous avons construit un système de systèmes dans le domaine du développement collaboratif de logiciel. Les résultats montrent que notre approche réduit la difficulté et l'effort de développement. Sur la base de ces résultats, nous avons créé une méthode originale pour construire un système de systèmes à travers notre framework. Nous avons testé le potentiel de notre méthode ainsi que les caractéristiques génériques de notre framework, en construisant avec succès et avec plus de précision un nouveau système de systèmes dans le domaine de la Santé. / Building Systems of Systems (SoS) has gained momentum in various domains. Today, complex applications require to let several systems developed independently cooperate, leading to the moniker of SoS. Despite such popularity, no consensus has yet been reached about a precise definition of what SoS are. Moreover, the crux of the matter is that most applications are still handcrafted, being developed in an ad hoc fashion, i.e., freely and without being constrained by a predefined structure. Handcrafting SoS is an Herculean task for architects, requiring them to create an interwoven set of connections among SoS constituent systems for allowing cooperation. Because of the large number of interconnections, the complexity and tight coupling increase in SoS, and their evolution becomes more difficult, requiring substantial efforts from architects. To sever the Gordian knot faced by SoS architects, we propose in this research a generic framework for facilitating the development of SoS from a systems engineering perspective. Our approach is based on a novel architecture we call MBA for Memory-Broker-Agent. To test our framework we built an SoS for developing software collaboratively. Results show that our approach reduces the difficulty and effort for developing a SoS. Based on such results, we created an original method for building a SoS using our framework. We tested the potential of our method along with the generic features of our framework, by building a new SoS in the Health Care domain successfully and more accurately.

L'intégration des systèmes consiste à assembler les différentes parties d'un système tout en assurant la compatibilité de l'assemblage ainsi que le bon fonctionnement du système complet. Depuis les années quatre-vingt-dix, l'intégration des systèmes d'entreprise a fait l'objet d'une attention croissante ; elle est ainsi devenue un thème de recherche développé dans plusieurs équipes universitaires et industrielles dans le monde autant que a suscité de nombreux travaux au sein des organisations scientifiques internationales, notamment IFAC et IFIP, et de normalisation, particulièrement IEC, ISO et CEN. Dans ce cadre, l'interopérabilité des systèmes est un moyen pour obtenir l'intégration, fondé sur un couplage faible des parties du système, basé sur la capacité des parties à communiquer entre elles pour accéder et faire appel à leurs fonctionnalités.<br />Plus récemment, au cours de la dernière décennie, une nouvelle approche d'ingénierie logicielle a été élaborée : l'ingénierie dirigée par les modèles. Dans cette nouvelle approche, les modèles occupent une place de premier plan parmi les artefacts d'ingénierie des systèmes. En effet, ils doivent être suffisamment précis afin de pouvoir être interprétés ou transformés par des outils logiciels, tout en étant mis en correspondance avec les démarches d'ingénierie système. Le rôle central des modèles dans le développement des capacités d'interopérabilité participe notablement à cette qualité, car les processus d'ingénierie de l'interopérabilité des applications sont basés sur des flux de modèles.<br /><br />Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches est centré sur l'étude des modèles en vue de l'interopérabilité des systèmes, et plus particulièrement des systèmes d'entreprises, centrée sur la représentation des produits. Pour contribuer à la fiabilisation des modèles d'entreprise et de leur interrelations pour l'intégration forte des applications, le projet de recherche proposé dans ce mémoire a pour objectif, dans un contexte d'ingénierie système appliqué aux systèmes de systèmes, de définir, d'étendre et de formaliser les processus de modélisation des systèmes d'entreprise en tenant compte des connaissances, généralement non explicites, des acteurs de ces systèmes. Cette preuve de concept relatif à la formalisation de la connaissance des modèles se base sur la définition d'ontologies, ainsi que la mise en correspondance, la transformation et l'échange de modèles, permettant l'intégration des applications d'entreprise et assurant ainsi des flux d'informations cohérents entre tous les acteurs. Ils nécessitent ainsi de rendre explicite la connaissance tacite des modélisateurs (et opérateurs) sur les processus (et donc les modèles) dont ils sont responsables ou auteurs.

Les systèmes-de-systèmes (Systems-of-Systems, SoS) interconnectent plusieurs systèmes indépendants qui travaillent ensemble pour exécuter une action conjointe dépassant leurs compétences individuelles. Par ailleurs, les descriptions architecturales sont des artefacts qui décrivent des architectures logicielles jouant dans le contexte SoS un rôle important dans la promotion de l’interaction des éléments constituants tout en favorisant la communication parmi les intéressés et en soutenant les activités d’inspection et d’analyse dès le début de leur cycle de vie. Le principal problème traité dans cette thèse est le manque de descriptions architecturales adéquates pour les SoS qui sont développés sans l’attention nécessaire à leur architecture logicielle. Puisque les systèmes constituants ne sont pas forcément connus pendant la conception du projet à cause du développement évolutionnaire des SoS, la description architecturale doit définir à la conception même du projet quelles coalitions entre les systèmes constituants seront possibles pendant son exécution. En outre, comme plusieurs de ces systèmes sont développés pour le domaine critique de sécurité, des mesures supplémentaires doivent être mises en place pour garantir l’exactitude et la complétude de la description architecturale. Afin de résoudre ce problème, nous nous servons du SosADL, un langage formel créé spécialement pour le domaine SoS et qui permet de décrire les architectures logicielles comme des associations dynamiques entre systèmes indépendants où les interactions doivent être coordonnées pour réaliser une action combinée. Notamment, une nouvelle méthode formelle, nommée Ark, est proposée pour systématiser les étapes nécessaires dans la synthèse d’architectures concrètes obéissant à cette description. Dans ce dessein, cette méthode crée un modèle formel intermédiaire, nommé TASoS, qui décrit l’architecture du SoS en tant que problème de satisfaisabilité de restrictions, rendant ainsi possible la vérification automatique d’un ensemble initial de propriétés. Le résultat obtenu par cette analyse peut s’utiliser en raffinements et révisions ultérieurs de la description architecturale. Un outil logiciel nommé SoSy a été aussi développé pour automatiser la génération de modèles intermédiaires et d’architectures concrètes, en cachant l’utilisation de solveurs de contraintes dans le projet de SoS. Particulièrement, cet outil intègre un environnement de développement plus important et complet pour le projet de SoS. Cette méthode et son outil ont été appliqués dans un modèle de SoS de surveillance de rivières urbaines où la faisabilité d’architectures abstraites a été étudiée. En formalisant et en automatisant les étapes requises pour la synthèse architecturale de SoS, Ark contribue à l’adoption de méthodes formelles dans le projet d’architectures SoS, ce qui est nécessaire pour atteindre des niveaux plus élevés de fiabilité. / Systems-of-Systems (SoS) encompass diverse and independent systems that must cooperate with each other for performing a combined action that is greater than their individual capabilities. In parallel, architecture descriptions, which are the main artifact expressing software architectures, play an important role in fostering interoperability among constituents by facilitating the communication among stakeholders and supporting the inspection and analysis of the SoS from an early stage of its life cycle. The main problem addressed in this thesis is the lack of adequate architectural descriptions for SoS that are often built without an adequate care to their software architecture. Since constituent systems are, in general, not known at design-time due to the evolving nature of SoS, the architecture description must specify at design-time which coalitions among constituent systems are feasible at run-time. Moreover, as many SoS are being developed for safety-critical domains, additional measures must be placed to ensure the correctness and completeness of architecture descriptions. To address this problem, this doctoral project employs SoSADL, a formal language tailored for the description of SoS that enables one to express software architectures as dynamic associations between independent constituent systems whose interactions are mediated for accomplishing a combined action. To synthesize concrete architectures that adhere to one such description, this thesis develops a formal method, named Ark, that systematizes the steps for producing such artifacts. The method creates an intermediate formal model, named TASoS, which expresses the SoS architecture in terms of a constraint satisfaction problem that can be automatically analyzed for an initial set of properties. The feedback obtained in this analysis can be used for subsequent refinements or revisions of the architecture description. A software tool named SoSy was also developed to support the Ark method as it automates the generation of intermediate models and concrete architectures, thus concealing the use of constraint solvers during SoS design and development. The method and its accompanying tool were applied to model a SoS for urban river monitoring in which the feasibility of candidate abstract architectures is investigated. By formalizing and automating the required steps for SoS architectural synthesis, Ark contributes for adopting formal methods in the design of SoS architectures, which is a necessary step for obtaining higher reliability levels.

La formulation des missions est le point de départ du développement de systèmes-de- systèmes, étant utilisée comme base pour la spécification, la vérification et la validation d’architectures de systèmes-de-systèmes. Élaborer des modèles d’architecture pour systèmes-de-systèmes est une activité complexe, cette complexité reposant spécialement sur les comportements émergents, c'est-à-dire, des comportements issus des interactions entre les parties constituantes d’un système-de-systèmes qui ne peuvent pas être prédits même si on connaît tous les comportements de tous les systèmes constituants. Cette thèse adresse le lien synergique entre mission et architecture dans le cadre des systèmes-de-systèmes à logiciel prépondérant, en accordant une attention particulière aux comportements émergents créés pour réaliser les missions formulées. Nous proposons ainsi une approche pour la conception d’architecture de systèmes-de-systèmes dirigée par le modèle de mission. Dans notre approche, le modèle de mission sert à dériver et à valider les architectures de systèmes-de-systèmes. Dans un premier temps, nous générons la structure de l’architecture à l’aide de transformations de modèles. Ensuite, lors que l’architecte spécifie les aspects comportementaux, la description de l’architecture résultante est validée à l’aide d’une démarche conjointe qui comprend à la fois la vérification des propriétés spécifiées et la validation par simulation des comportements émergents. La formalisation en termes de logique temporelle et la vérification statistique de modèles sont les fondements formels de l’approche. Un outil mettant en œuvre l’ensemble de l’approche a été également développé et expérimenté. / The formulation of missions is the starting point to the development of Systems-of-Systems (SoS), being used as a basis for the specification, verification and validation of SoS architectures. Specifying, verifying and validating architectural models for SoS are complex tasks compared to usual systems, the inner complexity of SoS relying specially on emergent behaviors, i.e. features that emerge from the interactions among constituent parts of the SoS which cannot be predicted even if all the behaviors of all parts are completely known. This thesis addresses the synergetic relationship between missions and architectures of software-intensive SoS, giving a special attention to emergent behaviors which are created for achieving formulated missions. We propose a design approach for the architectural modeling of SoS driven by the mission models. In our proposal, the mission model is used to both derive, verify and validate SoS architectures. As first step, we define a formalized mission model, then we generate the structure of the SoS architecture by applying model transformations. Later, when the architect specifies the behavioral aspects of the SoS, we generate concrete SoS architectures that will be verified and validated using simulation-based approaches, in particular regarding emergent behaviors. The verification uses statistical model checking to verify whether specified properties are satisfied, within a degree of confidence. The formalization in terms of a temporal logic and statistical model checking are the formal foundations of the developed approach. A toolset that implements the whole approach was also developed and experimented.

Les Systèmes de Systèmes (SdSs) sont des grands systèmes dont les composants sont eux-mêmes des systèmes qui interagissent en vue de la réalisation de certaines fonctions, et pour lesquels le dysfonctionnement d'un seul système peut avoir des conséquences graves sur le fonctionnement du SdS entier. Il est donc important que la conception de ces SdSs tienne compte des exigences de Sûreté de Fonctionnement (SdF) et notamment de leur fiabilité et leur disponibilité quand ils sont sollicités. Par ailleurs, il est nécessaire qu'elle s'assure, par le biais d'analyses quantitatives, du respect de ces exigences. L'incertitude est également une partie importante de la thèse, parce qu'il y a toujours des différences entre un système et sa représentation par un modèle. L’objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie de conception sûre des SdSs. Il s'agit dans un premier temps de proposer un modèle dysfonctionnel du SdS global intégrant les aspects matériels, les aspects réseaux ainsi que le facteur humain. Dans un second temps, il s'agit d'évaluer des exigences de SdF. Dans un troisième temps, il s'agit de prendre en compte de différents types d'incertitudes dans les modèles. Concernant la partie applicative, le sujet s'articulerait autour de la conception sûre d'un système ferroviaire. La contribution principale de cette thèse réside dans trois aspects. Premièrement, on propose une méthodologie générale pour modéliser des SdSs. Deuxièmement, on considère l'ERTMS Niveau 2 comme un SdS et évalue ses exigences de SdF en tenant compte de l'indisponibilité du SdS comme une propriété émergente. Troisièmement, on modélise quantitativement différents types d'incertitudes dans les modèles proposés en utilisant les théories probabilistes et non probabilistes. / Systems of Systems (SoS) are large systems whose components are themselves systems which interact to realize a common goal, and for which the malfunction of a single system can have some serious consequences on the performance of the whole SoS. So it’s important that the design of these SoSs takes into account the dependability requirements of safety standard. In this thesis, our interests concern the modeling of SoS and the reliability analysis of SoS under uncertainty which is due to the lack of knowledge related to failure data and model. Therefore, two modeling methods which deal with different issues are applied to model SoSs and the corresponding quantitative reliability analysis is proposed. The objective of this thesis is to propose graphical models for dependability assessment and risk analysis of SoSs under uncertainty. Firstly, it will propose a dysfunctional model of the ERTMS which is considered as an SoS. The model will integrate the hardware aspect, the network aspect and the human factors. Then, it will evaluate some dependability attributes of the whole SoS. Later, it will take different kinds of uncertainties into account quantitatively. The proposed methodology is applied on the ERTMS Level 2. The main contribution of this thesis lies in three aspects. First, we propose a methodology to model and evaluate SoSs. Second, we consider ERTMS Level 2 as an SoS and seek to evaluate its dependability parameters by considering the unavailability of the whole SoS as an emergent property. Third, we model quantitatively different kinds of uncertainties in the proposed models.

Un système de systèmes est un système dont les composants sont eux-mêmes des systèmes indépendants, tous communiquant pour atteindre un objectif commun. Lorsque ces systèmes sont mobiles, il peut être difficile d'établir des connexions de bout-en-bout. L'architecture mise en place dans de telles situations est appelée réseau tolérant aux délais. Les données sont transmises d'un système à l'autre – selon les opportunités de communication, appelées contacts, qui apparaissent lorsque deux systèmes sont proches – et disséminées dans l'ensemble du réseau avec l'espoir que chaque message atteigne sa destination. Si une donnée est trop volumineuse, elle est découpée. Chaque fragment est alors transmis séparément.Nous supposons ici que la séquence des contacts est connue. On s'intéresse donc à des applications où la mobilité des systèmes est prédictible (les réseaux de satellites par exemple). Nous cherchons à exploiter cette connaissance pour acheminer efficacement des informations depuis leurs sources jusqu'à leurs destinataires. Nous devons répondre à la question : « Quels éléments de données doivent être transférés lors de chaque contact pour minimiser le temps de dissémination » ?Nous formalisons tout d'abord ce problème, appelé problème de dissémination, et montrons qu'il est NP-difficile au sens fort. Nous proposons ensuite des algorithmes pour le résoudre. Ces derniers reposent sur des règles de dominance, des procédures de prétraitement, la programmation linéaire en nombres entiers, et la programmation par contraintes. Une partie est dédiée à la recherche de solutions robustes. Enfin, nous rapportons des résultats numériques montrant l'efficacité de nos algorithmes. / Systems of systems are supersystems comprising elements which are themselves independent operational systems, all interacting to achieve a common goal. When the subsystems are mobile, these may suffer from a lack of continuous end-to-end connectivity. To address the technical issues in such networks, the common approach is termed delay-tolerant networking. Routing relies on a store-forward mechanism. Data are sent from one system to another – depending on the communication opportunities, termed contacts, that arise when two systems are close – and stored throughout the network in hope that all messages will reach their destination. If data are too large, these must be split. Each fragment is then transmitted separately.In this work, we assume that the sequence of contacts is known. Thus, we focus on applications where it is possible to make realistic predictions about system mobility (e.g. satellite networks). We study the problem of making the best use of knowledge about possibilities for communication when data need to be routed from a set of systems to another within a given time horizon. The fundamental question is: "Which elements of the information should be transferred during each contact so that the dissemination length is minimized"?We first formalize the so-called dissemination problem, and prove this is strongly NP-Hard. We then propose algorithms to solve it. These relies on different dominance rules, preprocessing procedures, integer-linear programming, and constraint programming. A chapter is dedicated to the search for robust solutions. Finally experimental results are reported to show the efficiency of our algorithms in practice.

La thèse porte sur le contrôle des systèmes de systèmes (SdS) et, sur la manière de construire des SdS adaptables et fiables. Ce travail fait partie du laboratoire d’excellence Labex MS2T sur le développement des SdS technologiques. Les SdS sont des systèmes complexes constitués de plusieurs systèmes indépendants qui fonctionnent ensemble pour atteindre un objectif commun. L’ingénierie des SdS est une approche qui se concentre sur la manière de construire et de concevoir des SdS fiables capables de s’adapter à l’environnement dynamique dans lequel ils évoluent. Compte tenu de l’importance du contrôle des systèmes constituants (SC) pour atteindre les objectifs du SdS , la première partie de cette thèse a consisté en une étude bibliographique sur le sujet du contrôle des SdS. Certaines méthodes de contrôle existent pour les systèmes à grande échelle et les systèmes multi-agents, à savoir, le contrôle hiérarchique, distribué et décentralisé peuvent être utiles et sont utilisés pour contrôler les SdS. Ces méthodes ne conviennent pas pour contrôler un SdS dans sa globalité et son évolution, en raison de l’indépendance de leur SC ; alors que les “frameworks” multi-vues conviennent mieux à cet objectif. Une approche de ”framework” générale est proposée pour modéliser et gérer les interactions entre les SC dans un SdS. La deuxième partie de notre travail a consisté à contribuer aux systèmes de transport intelligent. À cette fin, nous avons proposé le gestionnaire de manœuvres coopératives pour les véhicules autonomes (CMMAV), un “framework” qui guide le développement des applications coopératives dans les véhicules autonomes. Pour valider le CMMAV, nous avons développé le gestionnaire de manœuvres latérales coopératives (CLMM), une application sur les véhicules autonomes qui permet d’échanger des demandes afin de coopérer lors de manœuvres de dépassement sur autoroute. Cette application a été validée par des scénarios formels, des simulations informatiques, et testée sur les véhicules autonomes du projet Robotex au laboratoire Heudiasyc. / This thesis focuses on System of Systems (SoS) control, and how to build adaptable and reliable SoS. This work is part of the Labex MS2T laboratory of excellence on technological SoS development. SoS are complex systems that consist of multiple independent systems that work together to achieve a common goal. SoS Engineering is an approach that focuses on how to build and design reliable SoS that can adapt to the dynamic environment in which they operate. Given the importance of controlling constituent systems (CS) in order to achieve SoS objectives, the first part of this thesis involved a literature study about the subject of SoS control. Some control methods exist for large-scale systems and multi-agent systems, namely, hierarchical, distributed, and decentralized control might be useful and are used to control SoS. These methods are not suitable for controlling SoS in its whole, because of the independence of their CS; whereas, multi-views frameworks are more suitable for this objective. A general framework approach is proposed to model and manage the interactions between CS in a SoS. The second part of our work consisted of contributing to Intelligent Transportation Systems. For this purpose, we have proposed the Cooperative Maneuvers Manager for Autonomous Vehicles (CMMAV), a framework that guides the development of cooperative applications in autonomous vehicles. To validate the CMMAV, we have developed the Cooperative Lateral Maneuvers Manager (CLMM), an application on the autonomous vehicles that enables equipped vehicles to exchange requests in order to cooperate during overtaking maneuvers on highways. It was validated by formal scenarios, computer simulations, and tested on the autonomous vehicles of the Equipex Robotex in Heudiasyc laboratory.

Les systèmes neuromusculaire et musculosquelettique sont des systèmes de systèmes complexes qui interagissent parfaitement entre eux afin de produire le mouvement. En y regardant de plus près, ce mouvement est la résultante d'une force musculaire créée à partir d'une activation du muscle par le système nerveux central. En parallèle de cette activité mécanique, le muscle produit aussi une activité électrique elle aussi contrôlée par la même activation. Cette activité électrique peut être mesurée à la surface de la peau à l'aide d'électrode, ce signal enregistré par l'électrode se nomme le signal Électromyogramme de surface (sEMG). Comprendre comment ces résultats de l'activation du muscle sont générés est primordial en biomécanique ou pour des applications cliniques. Évaluer et quantifier ces interactions intervenant durant la contraction musculaire est difficile et complexe à étudier dans des conditions expérimentales. Par conséquent, il est nécessaire de développer un moyen pour pouvoir décrire et estimer ces interactions. Dans la littérature de la bioingénierie, plusieurs modèles de génération de signaux sEMG et de force ont été publiés. Ces modèles sont principalement utilisés pour décrire une partie des résultats de la contraction musculaire. Ces modèles souffrent de plusieurs limites telles que le manque de réalisme physiologique, la personnalisation des paramètres, ou la représentativité lorsqu'un muscle complet est considéré. Dans ce travail de thèse, nous nous proposons de développer un modèle biofidèle, personnalisable et rapide décrivant l'activité électrique et mécanique du muscle en contraction isométrique. Pour se faire, nous proposons d'abord un modèle décrivant l'activité électrique du muscle à la surface de la peau. Cette activité électrique sera commandé par une commande volontaire venant du système nerveux périphérique, qui va activer les fibres musculaires qui vont alors dépolariser leur membrane. Cette dépolarisation sera alors filtrée par le volume conducteur afin d'obtenir l'activité électrique à la surface de la peau. Une fois cette activité obtenue, le système d'enregistrement décrivant une grille d'électrode à haute densité (HD-sEMG) est modélisée à la surface de la peau afin d'obtenir les signaux sEMG à partir d'une intégration surfacique sous le domaine de l'électrode. Dans ce modèle de génération de l'activité électrique, le membre est considéré cylindrique et multi couches avec la considération des tissus musculaire, adipeux et la peau. Par la suite, nous proposons un modèle mécanique du muscle décrit à l'échelle de l'Unité Motrice (UM). L'ensemble des résultats mécaniques de la contraction musculaire (force, raideur et déformation) sont déterminées à partir de la même commande excitatrice du système nerveux périphérique. Ce modèle est basé sur le modèle de coulissement des filaments d'actine-myosine proposé par Huxley que l'on modélise à l'échelle UM en utilisant la théorie des moments utilisée par Zahalak. Ce modèle mécanique est validé avec un profil de force enregistré sur un sujet paraplégique avec un implant de stimulation neurale. Finalement, nous proposons aussi trois applications des modèles proposés afin d'illustrer leurs fiabilités ainsi que leurs utilité. Tout d'abord une analyse de sensibilité globale des paramètres de la grille HDsEMG est présentée. Puis, nous présenterons un travail fait en collaboration avec une autre doctorante une nouvelle étude plus précise sur la modélisation de la relation HDsEMG/force en personnalisant les paramètres afin de mimer au mieux le comportement du Biceps Brachii. Pour conclure, nous proposons un dernier modèle quasi­ dynamique décrivant l'activité électro-mécanique du muscle en contraction isométrique. Ce modèle déformable va actualiser l'anatomie cylindrique du membre sous une hypothèse isovolumique du muscle. / The neuromuscular and musculoskeletal systems are complex System of Systems (SoS) that perfectly interact to provide motion. From this interaction, muscular force is generated from the muscle activation commanded by the Central Nervous System (CNS) that pilots joint motion. In parallel an electrical activity of the muscle is generated driven by the same command of the CNS. This electrical activity can be measured at the skin surface using electrodes, namely the surface electromyogram (sEMG). The knowledge of how these muscle out comes are generated is highly important in biomechanical and clinical applications. Evaluating and quantifying the interactions arising during the muscle activation are hard and complex to investigate in experimental conditions. Therefore, it is necessary to develop a way to describe and estimate it. In the bioengineering literature, several models of the sEMG and the force generation are provided. They are principally used to describe subparts of themuscular outcomes. These models suffer from several important limitations such lacks of physiological realism, personalization, and representability when a complete muscle is considered. In this work, we propose to construct bioreliable, personalized and fast models describing electrical and mechanical activities of the muscle during contraction. For this purpose, we first propose a model describing the electrical activity at the skin surface of the muscle where this electrical activity is determined from a voluntary command of the Peripheral Nervous System (PNS), activating the muscle fibers that generate a depolarization of their membrane that is filtered by the limbvolume. Once this electrical activity is computed, the recording system, i.e. the High Density sEMG (HD-sEMG) grid is define over the skin where the sEMG signal is determined as a numerical integration of the electrical activity under the electrode area. In this model, the limb is considered as a multilayered cylinder where muscle, adipose and skin tissues are described. Therefore, we propose a mechanical model described at the Motor Unit (MU) scale. The mechanical outcomes (muscle force, stiffness and deformation) are determined from the same voluntary command of the PNS, and is based on the Huxley sliding filaments model upscale at the MU scale using the distribution-moment theory proposed by Zahalak. This model is validated with force profile recorded from a subject implanted with an electrical stimulation device. Finally, we proposed three applications of the proposed models to illustrate their reliability and usefulness. A global sensitivity analysis of the statistics computed over the sEMG signals according to variation of the HD-sEMG electrode grid is performed. Then, we proposed in collaboration a new HDsEMG/force relationship, using personalized simulated data of the Biceps Brachii from the electrical model and a Twitch based model to estimate a specific force profile corresponding to a specific sEMG sensor network and muscle configuration. To conclude, a deformableelectro-mechanicalmodelcouplingthetwoproposedmodelsisproposed. This deformable model updates the limb cylinder anatomy considering isovolumic assumption and respecting incompressible property of the muscle.