Cette thèse porte sur le développement d'approches compositionnelles et efficaces de synthèse de contrôleurs pour les systèmes cyber-physiques (CPS). En effet, alors que les techniques de conception des CPS basées sur des modèles ont fait l'objet de nombreuses études au cours de la dernière décennie, leur scalabilité reste problématique. Dans cette thèse, nous contribuons à rendre de telles approches plus évolutives.La première partie est axée sur les approches compositionnelles. Un cadre général pour le raisonnement compositionnel en utilisant des contrats d’hypothèse-garantie est proposé. Ce cadre est ensuite combiné avec des techniques de contrôle symbolique et appliqué à un problème de synthèse de contrôleur pour des systèmes échantillonnés, distribués et multipériodiques, où l'approche symbolique est utilisé pour synthétiser un contrôleur imposant un contrat donné. Ensuite, une nouvelle approche de calcul compositionnel des abstractions symboliques est proposée, basée sur la notion de composition approchée et permettant de traiter des abstractions hétérogènes.La deuxième partie de la thèse porte sur des techniques efficaces d'abstraction et de synthèse de contrôleurs. Deux nouvelles techniques de calcul d’abstractions sont proposées pour les systèmes à commutation incrémentalement stables. La première approche est basée sur l'échantillonnage multi-niveaux où nous avons établi l'existence d'un paramètre optimal d'échantillonnage qui aboutit à un modèle symbolique avec un nombre minimal de transitions. La deuxième approche est basée sur un échantillonnage événementiel, où la durée des transitions dans le modèle symbolique est déterminée par un mécanisme déclencheur, ce qui permet de réduire le conservatisme par rapport au cas périodique. La combinaison avec des techniques de synthèse de contrôleurs paresseux est proposée permettant la synthèse à un coût de calcul réduit. Enfin, une nouvelle approche de synthèse paresseuse a été développée pour les systèmes de transition monotones et les spécifications de sécurité dirigées. Plusieurs études de cas sont considérées dans cette thèse, telles que la régulation de la température dans les bâtiments, le contrôle des convertisseurs de puissance, le pilotage des véhicules et le contrôle de la tension dans les micro-réseaux DC. / This thesis focus on the development of compositional and efficient controller synthesis approaches for cyber-physical systems (CPS). Indeed, while model-based techniques for CPS design have been the subject of a large amount of research in the last decade, scalability of these techniques remains an issue. In his thesis, we contribute to make such approaches more scalable.The focus of the first part is on compositional approaches. A general framework for compositional reasoning using assume-guarantee contracts is proposed. This framework is then combined with symbolic control techniques and applied to a controller synthesis problem for multiperiodic distributed sampled-data systems, where symbolic approaches have been used to synthesize controllers enforcing a given assume-guarantee contract. Then, a new approach to the compositional computation of symbolic abstractions is proposed based on the notion of approximate composition, allowing to deal with heterogeneous abstractions and arbitrary interconnections.The second part is about efficient abstraction and controller synthesis techniques. Two new abstractions schemes have been developed for incrementally stable switched systems. The first approach is based on multirate sampling where we established the existence of an optimal multirate sampling parameter that results in a symbolic model with a minimal number of transitions. The second approach is based on event-based sampling, where the duration of transitions in the symbolic model is determined by some triggering mechanism, which makes it possible to reduce the conservatism with respect to the periodic case. Combination with lazy controller synthesis techniques has been proposed allowing the synthesis at a reduced computational cost. Finally, a new lazy approach has been develop for monotone transition systems and directed safety specifications. Several case studies have been considered in this thesis such as temperature regulation in buildings, control of power converters, vehicle platooning and voltage control in DC micro-grids.

La version intégrale de ce mémoire est disponible uniquement pour consultation individuelle à la Bibliothèque de musique de l'Université de Montréal (www.bib.umontreal.ca/MU). / Ce mémoire expose les résultats de mon projet de recherche, qui consistait à élaborer et tester ma démarche compositionnelle s’appliquant aux musiques de pratique électroacoustique, instrumentale et mixte. Mon intention était d’uniformiser et de systématiser mon approche s’inscrivant essentiellement dans l’esthétique des romantiques. J’y combine musique à programme, partitions graphiques et autres techniques modernes de composition. Le premier chapitre est consacré à la description détaillée et commentée des trois étapes qui constituent mon travail de création : le programme, l’analyse ainsi que la structure et la forme. Pour expérimenter cette approche, j’ai composé trois pièces : Le chat noir, pièce mixte pour gamelan, bandes et traitements en temps réel et inspirée d’une nouvelle d’Edgar Allan Poe, La nébuleuse de la tour, pièce électroacoustique basée sur une partition graphique exécutée par une guitare et un trombone et, comme troisième pièce, Le livre de Thot, pour trio à cordes et piano, présentée en quatre mouvements inspirés d’autant de cartes du tarot. Les trois pièces sont décrites et analysées en fonction de ma démarche aux chapitres deux, trois et quatre, respectivement. / This thesis presents the results of my research project which consisted in elaborating and testing my compositional approach in three musical forms, namely, electroacoustic, instrumental, and mix. My aim was to systematize my approach—which belongs essentially with romantic aesthetics—and to make it uniform by combining program music, graphic partitions, and other modern compositional techniques. The first chapter is devoted to the detailed and commented description of the three stages of my creation process : program, analysis, as well as form and structure. To test my approach, I have composed three pieces, 1- Le chat noir, a mixed piece for gamelan, recording and real-time processing inspired by a novel by Edgar Allan Poes, 2- La nébuleuse de la tour, an electroacoustic piece based on a graphic partition and performed on guitar and trombone, and 3- Le livre de Thot, for string trio and piano and performed in four movements inspired by four tarot cards. These three pieces are described and analyzed in chapters two, three, and four respectively.

La collaboration constitue une stratégie efficace pour aider les organisations et les individus à évoluer dans des environnements dynamiques et complexes, et génère de nombreux avantages cognitifs, affectifs et pécuniaires. De plus en plus, les équipes de travail sont impliquées dans des collaborations complexes, lesquelles requièrent de transiger à travers les frontières nationales, organisationnelles et disciplinaires. Bien que les collaborations complexes soient de plus en plus courantes en milieux organisationnels et étudiées par les scientifiques, peu d’études empiriques ont été réalisées sur le sujet et la documentation inhérente est disséminée dans divers silos parallèles de connaissances, donnant lieu à des modèles conceptuels divergents et incomplets. L’importance croissante de ces formes de collaboration crée l’impératif scientifique et pratique d’en acquérir une meilleure compréhension ainsi que d’identifier et d’évaluer les conditions et les facteurs qui favorisent leur succès et leur efficacité. Cette thèse vise à combler les lacunes susmentionnées et permettre un avancement des connaissances sur le sujet par l’entremise de deux articles répondant à divers objectifs de recherche. Le premier article avance une définition claire des collaborations complexes, en vue de réduire la confusion entourant ce construit. Il présente également la première revue de documentation sur les facteurs favorisant le succès des collaborations complexes, unifiant les résultats issus de divers contextes et disciplines scientifiques. Cette démarche a permis d’identifier 14 variables clés provenant de 26 études empiriques. À partir de ces données, un modèle conceptuel fondé sur des assises théoriques solides et reconnues en psychologie du travail et des organisations est proposé, offrant ainsi un canevas systémique et dynamique du phénomène ainsi qu’une orientation détaillée des pistes de recherches pertinentes. Le deuxième article part des résultats obtenus dans le premier article afin d’évaluer empiriquement les relations entre certains facteurs clés ayant un impact sur des extrants importants de collaborations complexes. L’étude multiphasique est réalisée auprès de 16 équipes de projets (N=93) interdisciplinaires et interorganisationnelles prenant part à des sessions de travail intensives visant la production de concepts novateurs en design intégré lié au développement durable. Les analyses corrélationnelles montrent des liens positifs entre l’ouverture à la diversité, les processus collaboratifs, la viabilité, la performance d’équipe et la performance de projet, ainsi que des liens négatifs entre les conflits et ces mêmes extrants. De plus, les analyses de médiation multiple révèlent qu’une plus grande ouverture à la diversité influence positivement la viabilité, la performance d’équipe et la performance de projet en favorisant les processus collaboratifs efficaces et en réduisant les conflits. Les implications théoriques et pratiques découlant de ces résultats sont discutées. / Collaboration is an effective strategy to help organizations and individuals evolve in turbulent and complex environments, yielding numerous cognitive, affective, financial benefits. Increasingly, work teams are involved in complex collaborations, which require working across national, organizational and disciplinary boundaries. Although complex collaborations are increasingly prevalent and studied, there are few empirical studies on the subject and related literature is scattered in parallel knowledge silos, and poorly integrated conceptually. The growing ubiquity and reliance on these forms of collaboration creates a scientific and practical imperative to improve their understanding, as well as to identify and assess conditions and factors that promote their success and effectiveness. This thesis aims to address abovementioned gaps and knowledge advances through two articles, each targeting several objectives. The first paper provides a clear definition of complex collaborations, meant to decipher some of the confusion surrounding this construct. It also presents the first review of literature on factors fostering success of complex collaborations, unifying findings across research disciplines and contexts, which allowed to uncover 14 key variables from 26 empirical studies. Based on these findings, a theoretically grounded framework capturing functional and dynamic relationships among identified factors is introduced and developed, providing comprehensive and systemic view of the phenomenon and orienting pertinent research paths. The second article capitalizes on findings from the first paper to empirically investigate relationships between key factors affecting important outcomes of complex collaborations. The multi-wave survey is conducted with 16 interdisciplinary and inter-organizational projects teams (N=93) participating in intense work sessions aimed at producing innovative integrated design concepts. Correlational analyses show positive relationships between openness to diversity, collaborative processes, viability, team performance, and project performance, as well as negative relations between conflicts and the latter constructs. Further, multiple mediation analyses reveal that greater openness to diversity affects viability, team performance, and project performance by way of promoting efficient collaborative processes and inhibiting conflicts. Theoretical and practical implications from these findings are discussed.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont pour objectif de proposer un langage de description temporelle pour des systèmes temps-réel et d’établir les conditions de leur ordonnançabilité sous l’algorithme Earliest Deadline First (EDF). Les langages de description temporelle permettent de spécifier le comportement temporel d’une application indépendamment de son comportement fonctionnel. Le programmeur déclare dans ces langages à quels instants précis doivent être déclenchées et terminées les activités du système. Cette gestion du temps, précise et explicite, apporte au système son caractère déterministe. Le langage proposé, Extended Timing Definition Language (E-TDL), étend des langages dirigés par le temps existants, en particulier Giotto et TDL, en introduisant un nouveau modèle de tâche donné par quatre paramètres : phase, pire temps d’exécution, temps d’exécution logique TEL (intervalle de temps séparant le lancement de la tâche et sa terminaison) et période. L’introduction de ce nouveau modèle de tâche nécessite de revisiter en particulier le problème de l’ordonnançabilité des tâches pour EDF. Cette thèse propose et développe une analyse basée sur la fonction de demande pour des ensembles de tâches décrites en E-TDL et s’exécutant en contexte monoprocesseur. Une condition nécessaire et suffisante est obtenue au travers d’une analyse précise des intervalles séparant les activations de tâches au sein de différents modules s’exécutant indépendamment et pouvant changer de mode à des instants prédéfinis. Une borne de la longueur des intervalles sur lesquels doit s’opérer la vérification est déterminée. Un outil mettant en œuvre cette analyse a été développé. / The goal of this research is to define a time-triggered language for modeling real-time systems and to provide the conditions for their schedulability under Earliest Deadline First (EDF). Time-triggered languages separate the functional part of applications from their timing definition. These languages permit to model the real-time system temporal behavior by assigning system activities to particular time instants. We propose a new time-triggered framework, Extended Timing Definition Language (E-TDL), that enhances the basic task model used in Giotto and TDL while keeping compositional and modular structure brought by the latter. An E-TDL task is characterized by: an offset, a worst case execution time, a Logical Execution Time (a time interval between task release and its termination) and a period. The schedulability analysis of the system based on this new task model should be, in particular for EDF, investigated. We develop, on the concept of the processor demand criterion, conditions for the feasibility of an E-TDL system running on a single CPU under EDF. A necessary and sufficient condition is obtained by considering the global schedules that are made up of execution traces occurring at the same time in distinct modules that are able to switch their modes at predefined instants. We estimate a maximal length of the interval on which the schedulability condition must be checked. A tool suite performing the schedulability analysis of the E-TDL systems is developed.

La collaboration constitue une stratégie efficace pour aider les organisations et les individus à évoluer dans des environnements dynamiques et complexes, et génère de nombreux avantages cognitifs, affectifs et pécuniaires. De plus en plus, les équipes de travail sont impliquées dans des collaborations complexes, lesquelles requièrent de transiger à travers les frontières nationales, organisationnelles et disciplinaires. Bien que les collaborations complexes soient de plus en plus courantes en milieux organisationnels et étudiées par les scientifiques, peu d’études empiriques ont été réalisées sur le sujet et la documentation inhérente est disséminée dans divers silos parallèles de connaissances, donnant lieu à des modèles conceptuels divergents et incomplets. L’importance croissante de ces formes de collaboration crée l’impératif scientifique et pratique d’en acquérir une meilleure compréhension ainsi que d’identifier et d’évaluer les conditions et les facteurs qui favorisent leur succès et leur efficacité. Cette thèse vise à combler les lacunes susmentionnées et permettre un avancement des connaissances sur le sujet par l’entremise de deux articles répondant à divers objectifs de recherche. Le premier article avance une définition claire des collaborations complexes, en vue de réduire la confusion entourant ce construit. Il présente également la première revue de documentation sur les facteurs favorisant le succès des collaborations complexes, unifiant les résultats issus de divers contextes et disciplines scientifiques. Cette démarche a permis d’identifier 14 variables clés provenant de 26 études empiriques. À partir de ces données, un modèle conceptuel fondé sur des assises théoriques solides et reconnues en psychologie du travail et des organisations est proposé, offrant ainsi un canevas systémique et dynamique du phénomène ainsi qu’une orientation détaillée des pistes de recherches pertinentes. Le deuxième article part des résultats obtenus dans le premier article afin d’évaluer empiriquement les relations entre certains facteurs clés ayant un impact sur des extrants importants de collaborations complexes. L’étude multiphasique est réalisée auprès de 16 équipes de projets (N=93) interdisciplinaires et interorganisationnelles prenant part à des sessions de travail intensives visant la production de concepts novateurs en design intégré lié au développement durable. Les analyses corrélationnelles montrent des liens positifs entre l’ouverture à la diversité, les processus collaboratifs, la viabilité, la performance d’équipe et la performance de projet, ainsi que des liens négatifs entre les conflits et ces mêmes extrants. De plus, les analyses de médiation multiple révèlent qu’une plus grande ouverture à la diversité influence positivement la viabilité, la performance d’équipe et la performance de projet en favorisant les processus collaboratifs efficaces et en réduisant les conflits. Les implications théoriques et pratiques découlant de ces résultats sont discutées. / Collaboration is an effective strategy to help organizations and individuals evolve in turbulent and complex environments, yielding numerous cognitive, affective, financial benefits. Increasingly, work teams are involved in complex collaborations, which require working across national, organizational and disciplinary boundaries. Although complex collaborations are increasingly prevalent and studied, there are few empirical studies on the subject and related literature is scattered in parallel knowledge silos, and poorly integrated conceptually. The growing ubiquity and reliance on these forms of collaboration creates a scientific and practical imperative to improve their understanding, as well as to identify and assess conditions and factors that promote their success and effectiveness. This thesis aims to address abovementioned gaps and knowledge advances through two articles, each targeting several objectives. The first paper provides a clear definition of complex collaborations, meant to decipher some of the confusion surrounding this construct. It also presents the first review of literature on factors fostering success of complex collaborations, unifying findings across research disciplines and contexts, which allowed to uncover 14 key variables from 26 empirical studies. Based on these findings, a theoretically grounded framework capturing functional and dynamic relationships among identified factors is introduced and developed, providing comprehensive and systemic view of the phenomenon and orienting pertinent research paths. The second article capitalizes on findings from the first paper to empirically investigate relationships between key factors affecting important outcomes of complex collaborations. The multi-wave survey is conducted with 16 interdisciplinary and inter-organizational projects teams (N=93) participating in intense work sessions aimed at producing innovative integrated design concepts. Correlational analyses show positive relationships between openness to diversity, collaborative processes, viability, team performance, and project performance, as well as negative relations between conflicts and the latter constructs. Further, multiple mediation analyses reveal that greater openness to diversity affects viability, team performance, and project performance by way of promoting efficient collaborative processes and inhibiting conflicts. Theoretical and practical implications from these findings are discussed.

Les calculs d'équilibres à triphasiques et quadriphasiques sont au cœur des simulations de réservoirs impliquant des processus de récupérations tertiaires. Dans les procédés d'injection de gaz ou de vapeur, le système huile-gaz est enrichi d'une nouvelle phase qui joue un rôle important dans la récupération de l'huile en place. Les calculs d'équilibres représentent la majeure partie des temps de calculs dans les simulations de réservoir compositionnelles où les routines thermodynamiques sont appelées un nombre conséquent de fois. Il est donc important de concevoir des algorithmes qui soient fiables, robustes et rapides. Dans la littérature peu de simulateurs basés sur des équations d'état sont applicables aux procédés de récupération thermique. A notre connaissance, il n'existe pas de simulation thermique complètement compositionnelle de ces procédés pour des cas d'applications aux huiles lourdes. Ces simulations apparaissent essentielles et pourraient offrir des outils améliorés pour l’étude prédictive de certains champs. Dans cette thèse, des algorithmes robustes et efficaces de calculs d’équilibre multiphasiques sont proposés permettant de surmonter les difficultés rencontrés durant les simulations d'injection de vapeur pour des huiles lourdes. La plupart des algorithmes d'équilibre de phases sont basés sur la méthode de Newton et utilisent les variables conventionnelles comme variables indépendantes. Dans un premier temps, des améliorations de ces algorithmes sont proposées. Les variables réduites permettent de réduire la dimensionnalité du système de nc (nombre de composants) dans le cas des variables conventionnelles, à M (M<<nc), et sont déjà utilisées dans certains simulateurs de réservoirs commerciaux. La méthode de réduction proposée par Nichita and Graciaa (Fluid Phase Equil. 302 (2011) 226-233) est étendue à l'analyse de stabilité et aux calculs d'équilibres multiphasiques. A l'inverse des précédentes méthodes de réduction, les variables ne sont pas bornées. La méthode de Newton nécessite une Hessienne définie positive pour pouvoir être utilisée. D'autres méthodes de minimisations sont testées permettant de s'affranchir de cette contrainte; les méthodes Quasi-Newton et Trust-Region qui garantissent une direction de descente à chaque itération. Ces dernières présentent un grand intérêt puisqu'elles permettent de réaliser des pas supra-linéaires (même lorsque la Hessienne n'est pas définie positive) et quadratiques (Trust-Region) ou proches de quadratiques (Quasi-Newton) dans le cas contraire. Un nouveau vecteur de variables indépendantes est proposé (construit afin d'obtenir une meilleure mise échelle du problème) et utilisé au sein d'un algorithme BFGS modifié. De même, une méthode de Trust-Region est développée pour les problèmes de tests de stabilités et d'équilibres multiphasiques. Ensuite, considérant le fluide comme semi-continu, une méthodologie basée sur une procédure de quadrature Gaussienne est proposée pour calculer mathématiquement les pseudo-composants capables de représenter le comportement du fluide. La méthodologie peut être vue comme une procédure de groupement/dégroupement, applicable pour tout nombre de points de quadratures et toute composition de mélange. Dans une dernière partie, un algorithme général pour le calcul d’équilibre multiphasique est présenté incluant tous les algorithmes développés. Ce dernier est testé et validé contre des données expérimentales et de la littérature. Des simulations triphasiques et quadriphasiques d'injection de CO2 démontrent la capacité du programme à traiter un nombre arbitraire de phases. Des simulations de balayages par la vapeur sont réalisées pour des réservoirs montrant d'importantes hétérogénéités. Finalement, une simulation complètement compositionnelle du processus de Steam Assisted Gravity Drainage est réalisée. A notre connaissance, il s'agit de la première simulation de la sorte pour des cas d'applications d'huiles lourdes. / Three to four phase equilibrium calculations are in the heart of tertiary recovery simulations. In gas/steam injection processes, additional phases emerging from the oil-gas system are added to the set and have a significant impact on the oil recovery. The most important computational effort in many chemical process simulators and in petroleum compositional reservoir simulations is required by phase equilibrium and thermodynamic property calculations. In field scale reservoir simulations, a huge number of phase equilibrium calculations is required. For all these reasons, the algorithms must be robust and time-saving. In the literature, few simulators based on equations of state (EoS) are applicable to thermal recovery processes such as steam injection. To the best of our knowledge, no fully compositional thermal simulation of the steam injection process has been proposed with extra-heavy oils; these simulations are essential and will offer improved tools for predictive studies of the heavy oil fields. Thus, in this thesis different algorithms of improved efficiency and robustness for multiphase equilibrium calculations are proposed, able to handle conditions encountered during the simulation of steam injection for heavy oil mixtures. Most of the phase equilibrium calculations are based on the Newton method and use conventional independent variables. These algorithms are first investigated and different improvements are proposed. Michelsen’s (Fluid Phase Equil. 9 (1982) 21-40) method for multiphase-split problems is modified to take full advantage of symmetry (in the construction of the Jacobian matrix and the resolution of the linear system). The reduction methods enable to reduce the space of study from nc (number of components) for conventional variables to M (M<<nc) and are already used in some commercial reservoir simulators. The reduction method proposed by Nichita and Graciaa (Fluid Phase Equil. 302 (2011) 226-233) is extended to phase stability analysis and multiphase-split calculations. Unlike previous reduction methods, the set of variables is unbounded and the convergence path is the same as in conventional methods using the logarithm of equilibrium constants as variables. The Newton method requires a positive definite Hessian for convergence. Other kinds of minimization methods are investigated which overcome this constraint; the Quasi-Newton and Trust-region methods always guarantee a descent direction. These methods represent an interesting alternative since they can reach supra-linear steps even when the Hessian is non-positive definite, and can reach quadratic steps (Trust-Region) or nearly quadratic steps (Quasi-Newton) otherwise. A new set of independent variables is proposed (designed to ensure a better scaling of the problem) for a modified BFGS (which ensures the positive definiteness of the approximation of the Hessian matrix) algorithm and a Trust-Region method is also proposed for the stability-testing and phase-split problems. Subsequently, by assuming the fluid composition as semi-continuous, a methodology based on a Gaussian quadrature is proposed to mathematically compute a set of pseudo-components capable of representing the fluid behavior. The methodology can be seen as a lumping-delumping procedure, applicable to any number of quadrature points and to any feed distribution. In a last part, a general multiphase flash procedure implementing all the developed algorithms is presented, and tested against experimental and literature data. Three- and four phase CO2 injection simulations demonstrate the capability of the program to handle any number of phases. Simulations of steam flooding are performed for highly heterogeneous reservoirs. Finally, a fully compositional simulation of the steam assisted gravity drainage process is realized. To the best of our knowledge, this is the first simulation of the kind for heavy oil mixtures.