Cette thèse développe une méthodologie pour résoudre les problèmes d'ordonnancement de programmes conditionnels où savoir si une tâche doit être exécutée n'est pas connue à l'avance mais dynamiquement. Le modèle utilisé est à base d'automates temporisés représentant l'espace d'états à explorer. Le problème est donc formulé comme le calcul d'une stratégie gagnante (pire cas optimale) dans un jeu contre l'environnement. Dans un premier temps nous étudions le problème d'ordonnancement sur graphes de tâches déterministe puis nous étendons l'étude au problème d'ordonnancement avec incertitude conditionnelle. Pour les deux problèmes nous étudions différentes classes d'ordonnancements et de stratégies pour réduire l'espace d'états, des décompositions en chaînes pour réduire sa taille, puis nous investiguons plusieurs classes d'algorithmes exactes pour en évaluer l'efficacité et à partir desquels nous dérivons de bonnes heuristiques. Des résultats expérimentaux sur plusieurs exemples de benchmarks sont présentés afin de montrer l'efficacité de chaque algorithme et la précision des heuristiques proposées, puis des bornes théoriques sont déduites pour prouver la garantie de performance pire cas de chaque heuristique.

La vérification en ligne de spécifications formelles permet de créer des détecteurs d'erreur dont le pouvoir de détection dépend en grande partie du formalisme vérifié à l'exécution. Plus le formalisme est puissant plus la séparation entre les exécutions correctes et erronées peut être précise. Cependant, l'utilisation des vérifieurs en-ligne dans le but de détecter des erreurs est entravée par deux problèmes récurrents : le coût à l'exécution de ces vérifications, et le flou entourant les propriétés sémantiques exactes des signaux d'erreur ainsi générés. L'objectif de cette thèse est de clarifier les conditions d'utilisation de tels détecteurs dans le cadre d'applications " temps réel " critiques. Dans ce but, nous avons donné l'interprétation formelle de la notion d'erreur comportementale " temps réel". Nous définissions la propriété de détection " au plus tôt " qui permet de d'identifier la classe des détecteurs qui optimisent la latence de détection. Pour illustrer cette classe de détecteurs, nous proposons un prototype qui vérifie un comportement décrit par un automate temporisé. La propriété de détection au plus tôt est atteinte en raisonnant sur l'abstraction temporelle de l'automate et non sur l'automate lui-même. Nos contributions se déclinent dans trois domaines, la formalisation de la détection au plus tôt, sa traduction pour la synthèse de détecteurs d'erreur à partir d'automate temporisés, puis le déploiement concret de ces détecteurs sur une plate-forme de développement temps réel, Xenomai.

La complexité croissante des systèmes embarqués nécessite des formalismes de modélisation qui peuvent être simulés et analysés pour explorer l'espace des alternatives de conception. Cette thèse décrit le développement d'un formalisme de modélisation et des outils pour l'exploration de l'espace de design au plus tôt dans le flot de conception. Nous étendons le model-checking classique au pire cas pour les automates temporisés à l'analyse stochastique basée sur un raffinement des intervalles d'incertitude temporelle par des distributions sur les délais. D'une part, nous introduisons le formalisme des Duration Probabilistic Automata (DPA) à partir duquel nous pouvons réaliser de l'analyse ainsi que de l'optimisation. D'autre part nous présentons DESPEX (Design Space Explorer), un outil d'évaluation de performance de modèles de haut niveau des applications qui s'exécutent sur les plates-formes multi-coeurs. Nous montrons également son utilisation sur plusieurs cas d'étude. / The growing complexity of embedded systems calls for modeling formalisms that can be simulated and analyzed to explore the space of design alternatives. This thesis describes the development of a modeling formalism and tools for design space exploration at early design stage.We extend the classical worst-case model checking for timed automata to stochastic analysis based on a refinement of temporal uncertainty intervals into delay distribution. On one hand we introduce the formalism of Duration Probabilistic Automata (DPA) supporting analysis as well as optimization. On the other hand we provide DESPEX (DEsign SPace EXplorer), a tool for performance evaluation of high-level models of applications running on multi-core platforms. We also show its usage on several case studies.

Cette thèse étudie l’enforcement de propriétés temporisées à l’exécution en présence d’évènements incontrôlables. Les travaux se placent dans le cadre plus général de la vérification à l’exécution qui vise à surveiller l’exécution d’un système afin de s’assurer qu’elle respecte certaines propriétés. Ces propriétés peuvent être spécifiées à l’aide de formules logiques, ou au moyen d’autres modèles formels, parfois équivalents, comme des automates. Nous nous intéressons à l’enforcement à l’exécution de propriétés spécifiées par des automates temporisés. Tout comme la vérification à l’exécution, l’enforcement à l’exécution surveille l’exécution d’un système, la différence étant qu’un mécanisme d’enforcement réalise certaines modifications sur l’exécution afin de la contraindre à satisfaire la propriété souhaitée. Nous étudions plus particulièrement l’enforcement à l’exécution lorsque certains évènements de l’exécution sont incontrôlables, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent pas être modifiés par un mécanisme d’enforcement. Nous définissons des algorithmes de synthèse de mécanismes d’enforcement décrits de manières fonctionnelle puis opérationnelle, à partir de propriétés temporisées régulières (pouvant être représentées par des automates temporisés). Ainsi, deux mécanismes d’enforcement équivalents sont définis, le premier présentant une approche correcte sans considération d’implémentation, alors que le second utilise une approche basée sur la théorie des jeux permettant de précalculer certains comportements, ce qui permet de meilleures performances. Une implémentation utilisant ce précalcul est également présentée et évaluée. Les résultats sont encourageant quant à la faisabilité de l’enforcement à l’exécution en temps réel, avec des temps supplémentaires suffisamment courts sur de petites propriétés pour permettre une utilisation de tels systèmes. / This thesis studies the runtime enforcement of timed properties when some events are uncontrollable. This work falls in the domain of runtime verification, which includes all the techniques and tools based on or related to the monitoring of system executions with respect to requirement properties. These properties can be specified using different models such as logic formulae or automata. We consider timed regular properties, that can be represented by timed automata. As for runtime verification, a runtime enforcement mechanism watches the executions of a system, but instead of just outputting a verdict, it modifies the execution so that it satisfies the property. We are interested in runtime enforcement with uncontrollable events. An uncontrollable event is an event that an enforcement mechanism can not modify. We describe the synthesis of enforcement mechanisms, in both a functional and an operational way, that enforce some desired timed regular property. We define two equivalent enforcement mechanisms, the first one being simple, without considering complexity aspects, whereas the second one has a better time complexity thanks to the use of game theory; the latter being better suited for implementation. We also detail a tool that implements the second enforcement mechanism, as well as some performance considerations. The overhead introduced by the use of our tool seems low enough to be used in some real-time application scenarios.

Cette thèse revisite les algorithmes standards pour les problèmes d'accessibilité et de vivacité des automates temporisés. L'algorithme standard pour tester l'accessibilité consiste à utiliser l'inclusion de zones pour explorer efficacement un arbre de recherche abstrait. Cependant, l'ordre du parcours du graphe a une forte incidence sur l'efficacité de l'algorithme. Dans cette thèse nous introduisons deux stratégies, nommées ranking et waiting, et une combinaison des deux. De nombreux exemples montrent que la combinaison des deux stratégies aide l'algorithme d'accessibilité à éviter des explorations non nécessaires. Le problème de vivacité est couramment vérifiées par l'analyse des cycles dans l'automate temporisé. Contrairement à l'algorithme d'accessibilité, l'algorithme pour l'analyse de vivacité ne peut pas librement utiliser l'inclusion de zones. Par conséquent, il y a des situations où l'algorithme doit faire une longue exploration avant de conclure l'existence d'un cycle. Nous proposons une analyse accélérée des cycles, nommées w-iterability checking, qui permet d'améliorer la performance de l'algorithme de vivacité des automates temporisés. En plus, nous proposons une modélisation du mécanisme de démarrage du protocole FlexRay. La modélisation permet à vérifier le mécanisme dans configurations différents du réseau FlexRay. Nous présentons également un outil de visualisation qui aide à mieux comprendre le fonctionnement des algorithmes d'analyse. / This thesis revisits the standard algorithms for reachability and liveness analysis of timed automata. The standard algorithm for reachability analysis consists in using zone inclusion to efficiently explore a finite abstract zone graph of a timed automaton. It has been observed that the search order may strongly affect the performance of the algorithm. For the same algorithm, one search order may introduce a lot more exploration than another. In order to deal with the search order problem, we propose two strategies, named ranking strategy and waiting strategy, and a combination of the two. We show on a number of examples, the combining strategy helps to reduce unnecessary exploration in the standard algorithms. The standard algorithm for liveness analysis consists in looking for reachability of cycles in timed automata. But unlike the algorithm for safety analysis, the algorithm for liveness analysis cannot freely use zone inclusion. Consequently, there are situations where the algorithm has to perform a long exploration before reporting the result. In this thesis, we propose an accelerated checking for cycles in timed automata, named !-iterability checking, to improve the performance of the state-of-the-art algorithm for liveness analysis of timed automata. Furthermore, we present a new model for the startup procedure of FlexRay. The model allows to verify the procedure on different configurations of FlexRay networks. It also allows to evaluate the performance of our new strategies for safety analysis of timed automata. In addition, we present a methodology that uses visualization tools to get more insights into the execution of the algorithms.

Nous avons étudié dans cette thèse une approche discrète de la synthèse de contrôleurs pour les systèmes hybrides permettant la manipulation de dynamiques non-linéaires : les états sont regroupés dans une partition finie au prix d'une sur-approximation non déterministe de la relation de transition. Nous avons développé des algorithmes permettant de réduire l'explosion du nombre d'états due à la discrétisation en exploitant des propriétés des systèmes ODE. Ces algorithmes sont basés sur une approche hiérarchique du problème de la synthèse en le résolvant pour des sous problèmes et en utilisant ces résultats pour réduire l'espace d'états global. Nous avons aussi combiné des objectifs de vivacité et de sécurité pour s'approcher d'une stabilisation. Des résultats implémentés sur un prototype viennent montrer l'intérêt de cette approche.Pour la vérification, nous avons étudié le problème du model checking d'automates temporisés basé sur la résolution SAT. Nous avons exploré des solutions alternatives pour le codage des réductions SAT basées sur des exécutions parallèles de transitions indépendantes. Alors qu'une telle optimisation a déjà été étudiée pour les systèmes discrets, une approche intuitive pour les automates temporisés serait de considérer que des transitions en parallèle ont lieu au même instant (synchrones). Toutefois il est possible de relâcher cette condition et nous avons montré trois sémantiques différentes pour les séquences temporisées avec des transitions parallèles. Nous montrons la correction des sémantiques et décrivons des résultats expérimentaux réalisés avec notre prototype. / We consider a discretization based approach to controller synthesis of hybrid systems that allows to handle non-linear dynamics. In such an approach, states are grouped together in a finite index partition at the price of a non-deterministic over approximation of the transition relation. The main contribution of this work is a technique to reduce the state explosion generated by the discretization: exploiting structural properties of ODE systems, we propose a hierarchical approach to the synthesis problem by solving it first for sub problems and using the results for state space reduction in the full problem. A secondary contribution concerns combined safety and liveness control objectives that approximate stabilization. Results implemented on a prototype show the benefit of this approach. For the verification, we study the model checking problem of timed automata based on SAT solving. Our work investigates alternative possibilities for coding the SAT reductions that are based on parallel executions of independent transitions. While such an optimization has been studied for discrete systems, its transposition to timed automata poses the question of what it means for timed transitions to be executed “in parallel”. The most obvious interpretation is that the transitions in parallel take place at the same time (synchronously). However, it is possible to relax this condition. On the whole, we define and analyse three different semantics of timed sequences with parallel transitions. We prove the correctness of the proposed semantics and report experimental results with a prototype implementation.

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

Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux problèmes concernant la conception et la gestion des plans de soins à domicile. Un plan de soins à domicile définit l'ensemble des activités médicales et/ou sociales qui sont menées jour après jour au domicile d'un patient. Ce plan de soins est généralement construit à travers un processus complexe impliquant une évaluation complète des besoins du patient ainsi que son environnement social et physique. La spécification de plans de soins à domicile est difficile pour plusieurs raisons: les plans de soins à domicile sont par nature des processus non structurés qui impliquent des activités répétitives mais irrégulières, dont la spécification requiert des expressions temporelles complexes. Ces caractéristiques font que les plans de soins à domicile sont difficiles à modéliser en utilisant les technologies traditionnelles de modélisation de processus. Tout d'abord, nous présentons l'approche basée sur les DSL (Langage spécifique au domaine) qui permet d'exprimer les plans de soins à domicile en utilisant des abstractions de haut niveau et orientées utilisateur. Le DSL nous permet à travers cette thèse de proposer un langage de temporalités permettant de spécifier les temporalités des activités du plan de soins à domicile. Ensuite, nous décrivons comment les plans de soins à domicile, formalisés grâce aux automates temporisés, peuvent être générés à partir de ces abstractions. Nous proposons une approche en trois étapes qui consiste à: (i) le mapping entre les spécifications temporelles élémentaires et les automates temporisés appelés "pattern automata", (ii) la combinaison des "patterns automata" afin de construire les automates d'activités en utilisant l'algorithme de composition que nous avons déni, et aussi (iii) la construction de l'automate de plan de soins à domicile global. L'automate de plan de soins à domicile résultant englobe tous les schedules autorisés des activités pour un patient donné. Enfin, nous montrons comment la vérification et le suivi de l'automate du plan de soins à domicile résultant peuvent être faits en utilisant des techniques et des outils existants, en particulier en utilisant l'outil de verification UPPAAL. / In this thesis we are interested in the problems underlying the design and the management of home care plans. A home care plan defines the set of medical and/or social activities that are carried out day after day at a patient's home. Such a care plan is usually constructed through a complex process involving a comprehensive assessment of patient's needs as well as his/her social and physical environment. Specication of home care plans is challenging for several reasons: home care plans are inherently nonstructured processes which involve repetitive, but irregular, activities, whose specification requires complex temporal expressions. These features make home care plans difficult to model using traditional process modeling technologies. First, we present a DSL (Domain Specific Language) based approach tailored to express home care plans using high level and user-oriented abstractions. DSL enables us through this thesis to propose a temporalities language to specify temporalities of home care plan activities. Then, we describe how home care plans, formalized as timed automata, can be generated from these abstractions. We propose a three-step approach which consists in (i) mapping between elementary temporal specifications and timed automata called Pattern automata, (ii) combining patterns automata to build the activity automata using our composition algorithm and then (iii) constructing the global care plan automaton. The resulting care plan automaton encompasses all the possible allowed schedules of activities for a given patient. Finally, we show how verification and monitoring of the resulting care plan can be handled using existing techniques and tools, especially using UPPAAL Model Checker.

Cette thèse vise à améliorer la conception des systèmes multi-agents, par l'étude et la modélisation des capacités humaines de planification et d'interaction. Elle s'appuie sur une expérimentation psychologique durant laquelle des sujets humains avaient à résoudre un problème de planification en connaissances incomplètes.<br /><br />Les protocoles collectés au cours de cette expérimentation ont été analysés du point de vue de la planification et du point de vue des interactions. Ainsi, un modèle de la planification humaine et un modèle de l'interaction humaine ont pu être conçus.<br /><br />Ces deux modèles sont intégrés de façon homogène à une nouvelle architecture d'agent appelée BDIGGY. Parmi les modèles d'agents existants, le modèle BDI (Belief, Desire, Intention) offre un cadre intéressant pour la conception d'agents délibératifs capables de planifier et<br />d'interagir selon leurs états mentaux. Ainsi, l'architecture BDIGGY est née d'une fusion entre le système IGGY (un système pré-existant de planification humaine) et une architecture BDI étendue à la résolution coopérative de problèmes.<br /><br />Le modèle de l'interaction humaine introduit dans BDIGGY est sur deux niveaux :<br />1. il s'appuie sur la théorie des actes de langage pour modéliser les énoncés, à l'aide d'un ensemble de performatives (comme c'est le cas dans les ACL classiques) appliquées à des états mentaux ;<br />2. il utilise un modèle du discours, représenté par des automates temporisés, pour décrire la dynamique des conversations humaines, en remplacement des protocoles de communication jugés trop rigides.<br /><br />Les niveaux de l'énoncé et du discours sont liés par une sémantique des performatives. Cette sémantique décrit les pré-conditions et les post-conditions portant sur les états mentaux des agents, à la réception et à l'envoi de messages.<br /><br />Dans BDIGGY, l'interaction, la planification et les connaissances s'entrelacent grâce auxconcepts BDI.<br />L'architecture BDIGGY est validée en comparant au cours d'un test "à la Turing", les protocoles expérimentaux provenant de l'expérimentation psychologique et les protocoles générés par des agents BDIGGY, durant une simulation de la résolution du problème.

Ce mémoire de thèse s'intéresse à la conception de systèmes temps-réel en s'appuyant sur la méthode formelle RT-Lotos, extension temporelle à l'algèbre de processus Lotos. Il aborde plusieurs points relatifs à la spécification, la validation et l'ordonnancement de systèmes concurrents sujets à des contraintes logiques et temporelles. La première partie propose un éventail de méthodes formelles pour la spécification et la validation de systèmes temps-réel. Elle présente également le langage RT-Lotos et la technique de vérification formelle associée basée sur une analyse d'accessibilité. Elle détaille finalement un ensemble de travaux concernant l'automate temporisé (appelé un DTA) dérivé d'une spécification RT-Lotos, avec comme objectifs d'exécuter des simulations rapides, et de s'interfacer avec des outils de vérification de type model-checker. La deuxième partie présente une étude sur la notion de cohérence temporelle et propose une technique ainsi qu'un modèle formel pour exploiter sous un nouvel angle des informations issues de la vérification formelle par analyse d'accessibilité. Cette approche propose de raffiner le graphe des régions, d'en élaguer certaines branches jugées non souhaitables, d'extraire les dates de tir possible des actions, et de présenter ces informations sous la forme d'un nouveau type d'automate temporisé (appelé un TLSA) ayant pour vocation l'ordonnancement dans le temps des actions d'un système. Enfin, la troisième partie se penche sur les liens possibles entre méthodes formelles et semi-formelles. Dans ce cadre, nous proposons une sémantique formelle pour les diagrammes UML s'appuyant sur RT-Lotos, après avoir défini une extension temps-réel à UML (appelée TURTLE). Ainsi, nous définissons une méthodologie qui s'inscrit dans les techniques de développement industriel classiques et qui permet une vérification formelle de systèmes temps-réel.