Thesis (M. S.)--Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Paredis, Chris; Committee Member: McGinnis, Leon; Committee Member: Schaefer, Dirk

Thesis (M.S.)--Mississippi State University. Department of Industrial Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Thesis (M.S.)--University of Wisconsin--Madison, 1965. / eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Bibliography: l. 156-166.

Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin, 1967. / Typescript. Vita. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliography.

This thesis aims to develop a methodology to translate an ontology to a matrixbased methods that is case independent. In the larger picture this is one of manycomplexities in systems engineering approach. The focus in this work is in the domainof conceptual design, hence, matrix based methods that are most suitable for it areinvestigated. The flexible nature of the ontology always allows for expansion withnew information about the concepts, and from that perspective a parsing scriptwas developed to extract information from the ontology, it was also designed to beflexible. The script can be used to extract any desired type of information by alteringa few keywords as inputs. The advantage is that the same structure of the script canbe used to extract information from many different ontologies.Using this method the matrices relevant for conceptual design were formulated.These matrices were further compared to each other. Also, a few recommendationswere given for the improvement of the method to adapt towards high fidelity. Thecurrent method is capable of solving problems with low fidelity, however this formsa basis to expand the method to high fidelity problems.

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.

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.