Le développement rapide des systèmes embarqués et les exigences croissantes auxquelles ils sont soumis créent un besoin de techniques innovantes en terme de conception, de vérification et de validation. Les méthodes formelles fournissent des approches intéressantes à la conception de ces systèmes, notamment pour des études de sûreté de fonctionnement (SdF). Le formalisme choisi est basé sur les Réseaux de Petri Colorés (RdPC). L'avantage de ces modèles, en plus d'être très expressifs et formels, est qu'ils permettent d'exprimer le double caractère des systèmes étudiés : statique et dynamique. Le défi relevé par cette thèse est d'utiliser des modèles établis, décrivant l'architecture et/ou le comportement de systèmes, pour en extraire des informations de SdF en général et de diagnostic de défaillances en particulier. L'approche proposée est une analyse structurelle par accessibilité arrière de RdPC. Elle peut être décomposée en deux parties. La première consiste en la proposition d'un outil pour réaliser cette analyse : le RdPC inverse. Il est obtenu grâce à l'application de transformations structurelles sur le RdPC original. La seconde partie est la mise en \oe uvre de l'analyse. Cette partie requiert des mécanismes complémentaires dont le plus important est l'enrichissement du marquage. L'approche proposée est étudiée de deux points de vue complémentaires : algorithmique et théorique. Le point de vue algorithmique consiste à proposer des modèles de transformations pour l'inversion des RdPC et la mise en \oe uvre de l'analyse. L'aspect théorique vise à offrir une base formelle à l'approche en appliquant deux méthodes (l'algèbre linéaire et la logique linéaire) pour prouver notre approche.

Cette thèse se situe au croisement de deux domaines : la sûreté de fonctionnement des systèmes critiques et les méthodes formelles. Nous cherchons à établir la cohérence des analyses de sûreté de fonctionnement réalisées à l'aide de modèles représentant un même système à des niveaux de détail différents. Pour cela, nous proposons une notion de raffinement dans le cadre de la conception de modèles AltaRica : un modèle détaillé raffine un modèle abstrait si le modèle abstrait simule le modèle détaillé. La vérification du raffinement de modèles AltaRica est supportée par l'outil de model-checking MecV. Ceci permet de réaliser des analyses multi-systèmes à l'aide de modèles à des niveaux de détail hétérogènes : le système au centre de l'étude est détaillé tandis que les systèmes en interface sont abstraits. Cette approche a été appliquée à l'étude d'un système de contrôle de gouverne de direction d'un avion connecté à un système de génération et distribution électrique.

Les travaux de recherche évoqués dans ce mémoire concernent l'amélioration de la sûreté de fonctionnement (c'est à dire la fiabilité, la disponibilité, la maintenabilité et la sécurité) des dispositifs de stockage d'énergie. Les études traitées à ce jour se rapportent aux condensateurs et aux supercondensateurs. Le titre de ce mémoire est volontairement plus général afin de montrer que ces travaux ne demandent plus qu'à être élargis aux batteries.<br />Compte tenu de leur capacité à stocker de l'énergie sous forme de charges électrostatiques, les condensateurs sont des composants passifs indispensables dans les circuits d'électronique de puissance.<br />Les condensateurs électrolytiques sont parmi les condensateurs les plus utilisés (plus d'un tiers du marché mondial des condensateurs) car ils associent, une forte capacité par unité de volume, une tension de fonctionnement pouvant atteindre plusieurs centaines de volts et un prix avantageux. Leur principal défaut est leur taux de défaillance relativement élevé par rapport aux autres constituants des circuits électroniques. L'amélioration de leur fiabilité et la pratique de la maintenance prédictive (prévision des pannes) est donc fondamentale pour la disponibilité des systèmes dans lesquels ils sont employés.<br />Les autres condensateurs largement utilisés dans le domaine de l'électronique de puissance, grâce à leur faible coût et à leur propriété d'auto-cicatrisation, sont les condensateurs à films polypropylène métallisés. Compte tenu du risque d'inflammation en cas de défaut, l'amélioration de la sûreté de fonctionnement de ces composants est primordiale.<br />Aujourd'hui, le stockage de l'énergie électrique constitue un axe de recherche majeur pour les applications de la traction électrique dans le cadre d'un développement durable pour les transports. La recherche sur des générateurs électrochimiques de nouvelle génération, tels que les supercondensateurs, s'avère nécessaire au développement de véhicules électriques et hybrides. Comme tous les générateurs électrochimiques, ces composants présentent une période d'usure préjudiciable pour leur durée de vie. De plus la majorité de ces composants comporte un électrolyte à base d'acétonitrile, un composé inflammable et explosif. L'étude de leur sûreté de fonctionnement est donc, là aussi, fondamentale.<br />Deux approches en interaction forte afin de concourir à l'objectif d'amélioration de la sûreté de fonctionnement de ces composants, sont considérées : la fiabilité et le diagnostic. La préoccupation majeure dans la démarche « fiabilité » est de suivre et d'analyser les défauts et le vieillissement des composants afin d'en prévoir leurs défaillances. Cette connaissance des défaillances peut alors rétroagir sur la conception afin d'en améliorer la fiabilité. Le diagnostic par l'intermédiaire de mesures et de méthodes adéquates doit assurer la détection de pannes ou du vieillissement des composants, la finalité recherchée étant la maintenance prédictive.<br />La sûreté de fonctionnement est fortement liée aux caractéristiques technologiques des composants. Le chapitre 1 présente donc les différents constituants des condensateurs, l'assemblage de ceux-ci et la technologie utilisée pour leur fabrication. Grâce à l'élaboration de schémas électriques équivalents liés aux différents éléments constituant le condensateur, le comportement de ce dernier et les influences des paramètres électriques et thermiques sont analysés.<br />Le chapitre 2 reprend les mêmes études appliquées au supercondensateur. Ce composant est particulier puisque son principe ne repose pas sur la présence d'un diélectrique mais sur celui de la double couche électrique qui se crée à l'interface entre une électrode solide (matériaux poreux tels que le charbon actif) et un électrolyte liquide en présence d'un champ électrique. C'est l'épaisseur de la double couche électrique de quelques nanomètres (liée aux diamètres des molécules du solvant) qui définit la capacité du composant qui est non linéaire. Les différentes caractérisations des supercondensateurs permettent de réaliser différents schémas équivalents spécifiques à ce type de composant en fonction de son utilisation et des paramètres électriques et thermiques. <br />Le chapitre 3 aborde le problème de la fiabilité des condensateurs et supercondensateurs. Pour contraindre les différents éléments constituant les condensateurs, différents tests de vieillissement accéléré sont élaborés et corrélés aux mécanismes de défaillances associés. Ainsi, pour les condensateurs à films polypropylène métallisés par exemple, il est montré, à qualité de fabrication égale, la meilleure fiabilité du condensateur plat par rapport à son équivalent long. Un des principaux objectifs est aussi de connaître les dérives des paramètres caractéristiques des composants en fonction de leurs mécanismes de vieillissement. Les influences de celles-ci sont reportées sur les schémas équivalents spécifiques aux composants. Pour les supercondensateurs les systèmes d'équilibrage nécessaires pour leur mise en série sont aussi étudiés vis-à-vis de leur fiabilité.<br />Le chapitre 4 traite de l'aspect diagnostic. Compte tenu de l'existence d'une période d'usure, la défaillance des condensateurs électrolytiques ou des supercondensateurs prend un caractère systématique. Afin d'éviter des frais liés à une maintenance préventive systématique effectuée selon un échéancier établi, une maintenance prédictive est appliquée aux composants. Celle-ci permet de connaître l'état de vieillissement des condensateurs et ainsi le changement de ceux-ci peut être programmé à un moment opportun. L'état de vieillissement des condensateurs est représenté par la résistance équivalente série (ESR) qui évolue en fonction du temps, de la température et de la fréquence selon une loi déterminée. Un condensateur intelligent intégrant un système électronique économique capable de signaler l'instant adéquat où le condensateur doit être changé a été réalisé et breveté. Par l'analyse de la tension, du courant et de la température boîtier du composant et des lois de vieillissement simples, le système détecte la dégradation évolutive des condensateurs. <br />Pour finir, la partie conclusion et perspectives présentent les évolutions à attendre des composants passifs, les nouvelles applications liées au stockage d'énergie envisageables grâce aux supercondensateurs et les recherches à envisager pour améliorer la sûreté de fonctionnement des dispositifs de stockage de l'énergie.

Les efforts fournis par les exploitants du réseau électrique ont permis d'atteindre, aujourd'hui, un très bon niveau de fiabilité du réseau de transport et une disponibilité des réseaux de distribution tout à fait convenable. Néanmoins, considérant les modifications induites par les connexions de petits producteurs indépendants aux réseaux de distribution, les exploitants expriment un besoin d'évaluer la sûreté de fonctionnement de ces nouveaux réseaux. Les réseaux électriques présentent plusieurs particularités fonctionnelles, mises en évidence par l'étude qualitative des défaillances, comme les charges dispersées à plusieurs endroits du réseau, la topologie variable du réseau et certains phénomènes électrotechniques qui doivent être pris en compte pour modéliser les événements que peut subir le système. La méthode de calculs de sûreté retenue est la simulation Monte Carlo, méthode probabiliste la plus performante et la plus souple d'utilisation au regard de la complexité des réseaux étudiés. Nous avons consacré une première partie des travaux sur le cas d'un départ HTA auquel est connecté une centrale de cogénération. La méthode a été appliquée sur un logiciel de simulation de réseaux de Petri stochastiques. Puis une deuxième partie a concerné l'étude d'un réseau BT alimenté uniquement par des générations dispersées. Ici, la complexité des événements a nécessité de coder et de développer la méthode dans un environnement de programmation permettant l'intégration de modules de calculs de réseaux (répartition de charges, courts-circuits, délestage, gestion des puissances produites,...) afin de pouvoir diagnostiquer l'état du système durant les événements simulés.

L'objectif de cette thèse était de construire un modèle de fonctionnement de troupeau de truies qui permette d'explorer l'effet de combinaisons de pratiques d'élevage, cohérentes avec les attentes des éleveurs, sur la production et la répartition des tâches périodiques au cours du temps. Pour y parvenir nous avons réalisé un premier modèle à partir des données de la bibliographie. Ce modèle permet de représenter le fonctionnement des troupeaux de truies quelles que soient la conduite en bandes et la durée de lactation, les deux facteurs les plus importants vis-à-vis du rythme de travail inter hebdomadaire. Il produit des résultats sur la productivité des truies et la répartition des tâches périodiques et permet ainsi de comparer les différentes conduites en bandes sur ces critères. Nous avons soumis le modèle et ses résultats à l'avis d'experts de la filière. Ceux-ci ont proposé d'améliorer i) la représentation des attentes des éleveurs en lien avec les pratiques ; ii) la représentation de la carrière des animaux et son effet sur la productivité. Ceci nous a conduits à réaliser une enquête auprès d'éleveurs et une analyse de la base de données de la Gestion Technique des Troupeaux de Truies. L'enquête a permis d'identifier deux types d'attentes des éleveurs : i) vis-à-vis de la répartition intra hebdomadaire du travail en lien avec les pratiques autour de l'insémination ; ii) vis-à-vis de la productivité des truies en lien avec les pratiques autour de la mise bas. Nous avons aussi identifié une relation entre le nombre de bandes et les pratiques de renouvellement et de réforme. L'analyse de la base de données a fourni les éléments nécessaires à la prise en compte des effets de la carrière sur la productivité des truies, mais aussi des références techniques par type de conduite en bandes qui n'étaient pas disponibles jusqu'alors. L'ensemble de ces résultats nous a permis de proposer la maquette d'un modèle conceptuel qui reprend les bases du premier modèle en y intégrant i) une représentation des attentes des éleveurs reliées à des cohérences de pratiques, ii) une plus grande diversité des pratiques et iii) l'effet des pratiques des éleveurs et de la carrière des truies sur les performances.

Les systèmes à commutation représentent une classe particulière de systèmes hybrides. Ils sont décrits par plusieurs modèles de fonctionnement et chaque modèle, définissant un mode du système, est actif sous certaines conditions opératoires particulières. Lorsque la loi de commutation régissant le passage d'un modèle de fonctionnement à l'autre est parfaitement connue, il est aisé de manipuler de tels systèmes car le mode actif peut être connu à chaque instant. Par contre, dans la situation où aucune information n'est disponible sur l'évolution de la loi de commutation, il est plus ardu de procéder au diagnostic ou encore de synthétiser une loi de commande sur ces systèmes. Il est abordé ici le problème de la reconnaissance du mode actif sur la base d'observations de l'entrée et de la sortie du système. L'identification des paramètres de la loi de commutation est ensuite étudiée sous l'hypothèse de la connaissance de la structure de la loi de commutation.

Cette thèse propose des méthodes assistant la modélisation et l'évaluation qualitative de l'architecture de sûreté de fonctionnement des systèmes embarqués complexes. Ces architectures sont souvent construites à partir de motifs généraux d'architectures de systèmes correspondant à des mécanismes de sûreté récurrents comme des redondances, des détections, etc. En s'inspirant des principes des "patrons de conception" développés en génie logiciel, nous avons proposé une modélisation de ces mécanismes et des attributs permettant leur réutilisation lors des analyses de sûreté de fonctionnement. Ces analyses nécessitent de raisonner sur le comportement des systèmes en présence de pannes qui peut être modélisé à l'aide de langages formels comme AltaRica. Dans notre cas, les motifs correspondent à des abstractions d'architectures concrètes et donc requièrent une modélisation plus déclarative. Les propriétés étudiées étant en général dynamiques, nous avons choisi d'utiliser une logique temporelle pour les exprimer. Les motifs sont donc constitués d'une partie AltaRica et d'une partie propriétés. Ce type de modélisation mixte possède plusieurs intérêts, notamment lors de la conception en phase amont d'architectures de systèmes où il est possible de manipuler à la fois des parties d'un système conçues de manière détaillée et des spécifications. Elle a également pour buts de faciliter l'allocation d'exigences pour la validation d'architectures ainsi que le prototypage. Nous avons donc défini une notation mixant ces aspects opérationnels et déclaratifs.

Les développeurs des systèmes informatiques, y compris critiques, font souvent appel à des systèmes d'exploitation sur étagère. Cependant, un mauvais fonctionnement d'un système d'exploitation peut avoir un fort impact sur la sûreté de fonctionnement du système global, d'où la nécessité de trouver des moyens efficaces pour caractériser sa sûreté de fonctionnement. Dans cette thèse, nous étudions l'étalonnage de la sûreté de fonctionnement des systèmes d'exploitation par rapport aux comportements défectueux de l'application. Nous spécifions les propriétés qu'un étalon de sûreté de fonctionnement doit satisfaire. Après, nous spécifions les mesures et la mise en oeuvre des trois étalons destinés à comparer la sûreté de fonctionnement de différents systèmes d'exploitation. Ensuite, nous développons les prototypes des trois étalons. Ces prototypes servent à comparer les différents systèmes d'exploitation des familles Windows et Linux, et pour montrer la satisfaction des propriétés identifiées.

Cette thèse propose de généraliser l'utilisation de la transformation de programmes, pour la construction d'un lien efficace entre les parties fonctionnelle et non-fonctionnelle (ou technique) d'un système logiciel. Dans ce cadre, nous avons développé un système de transformation (Jabyce), avec pour objectifs la possibilité d'implanter tous les transformateurs de programmes possibles, leur encapsulation pour systématiser leur réutilisation, et la possibilité de les composer arbitrairement et efficacement. Pour cela, Jabyce a deux caractéristiques : les transformateurs sont conçus sous la forme de composants logiciels dans un modèle de composant général (Fractal), et les programmes transformés sont représentés par des séquences d'interactions au lieu de graphes d'objets (représentation classique). Une extension de la catégorisation classique des systèmes de transformation de programme nous permet une comparaison exhaustive de Jabyce aux autres systèmes existants, qui montre que, grâce à ses caractéristiques, Jabyce facilite significativement la conception de transformateurs complexes, et offre les mécanismes de composition de transformateurs les plus efficaces et les plus flexibles. Jabyce a été validé expérimentalement dans le cadre de la construction d'un environnement de persistance transparente d'objets Java, et celle d'une Machine Virtuelle Java modulaire basée sur la compilation statique. Un autre apport original de ce travail est l'introduction de la problématique du traitement des erreurs dans les systèmes de transformation de programmes, et la conception d'un système de traitement d'erreur adapté à Jabyce.

L'énergie éolienne jouant un rôle de plus en plus important dans le réseau électrique, elle ne peut plus être considérée comme une source d'énergie marginale. Par conséquent, l'impact sur le réseau de l'intermittence, inhérente à ce type d'énergie devient non négligeable. L'utilisation du stockage est une des principales solutions à ce problème d'intégration. Ce travail porte sur l'optimisation du système éolien/stockage en considérant la dynamique de l'éolien, la capacité de stockage et l'interaction avec le réseau. L'objectif consiste à répondre aux exigences du réseau en limitant les fluctuations, à fournir des services-systèmes tout en mettant en avant la rentabilité économique du système. La méthode de gestion proposée s'appuie sur deux niveaux de pilotage : l'anticipation et la gestion réactive. La première phase consiste à utiliser des informations de prévisions (météorologiques, contraintes du réseau, conditions du marché électrique...) afin de définir par avance le programme de fonctionnement optimal du système de stockage. La deuxième phase étudie le fonctionnement en temps réel, où le système doit faire face aux perturbations et respecter les règles du mécanisme d'ajustement. Le problème est complexe avec de nombreuses variables de contrôle discrètes et continues. La Programmation Mixte Linéaire (PML) est utilisée pour résoudre efficacement le problème. La stratégie de fonctionnement optimale proposée sera validée sur un simulateur hors temps réel et un simulateur en temps réel.