In dieser Dissertation, schaue ich auf objekt-orientierte Metamodellierung und wie sie verwendet werden kann, um Computersprachen zu beschreiben. Dabei, fokussiere ich mich nicht nur auf die Beschreibung von Sprachen, sondern auch auf die Verwendung von Sprachbeschreibungen zur automatischen Erzeugung von Sprachwerkzeugen aus Sprachbeschreibungen. Ich nutze die Idee von Metasprachen und Metawerkzeugen. Metasprachen werden verwendet um bestimmte Sprachaspekte, wie Notationen und Semantiken, zu beschreiben, und Metawerkzeuge werden verwendet um Sprachwerkzeuge wie Editoren und Interpreter aus entsprechenden Beschreibungen zu erzeugen. Diese Kombination von Beschreibung und automatischer Entwicklung von Werkzeugen ist als Domänenspezifische Modellierung (DSM) bekannt. Ich verwende DSM basierend auf objekt-orientierter Metamodellierung zur Beschreibung der wichtigen Aspekte ausführbarer Computersprachen. Ich untersuche existierende Metasprachen und Metawerkzeuge für die Beschreibung von Sprachvorkommen, ihrer konkreten Repräsentation und Semantik. Weiter, entwickle ich eine neue Plattform zur Beschreibung von Sprachen basierend auf dem CMOF-Modell der OMG MOF 2.x Empfehlungen. Ich entwickle eine Metasprache und Metawerkzeug für textuelle Notationen. Schlussendlich, entwickle ich eine graphische Metasprache und Metawerkzeug zur Beschreibung von operationaler Semantik von Computersprachen. Um die Anwendbarkeit der vorgestellten Techniken zu prüfen, nehme ich SDL, die Specification and Description Language, als einen Archetypen für textuell notierte Sprachen mit ausführbaren Instanzen. Für diesen Archetyp zeige ich, dass die präsentierten Metasprachen und Metawerkzeuge es erlauben solche Computersprachen zu beschreiben und automatisch Werkzeuge für diese Sprachen zu erzeugen. / In this thesis, I look into object-oriented meta-modelling and how it can be used to describe computer languages. Thereby, I do not only focus on describing languages, but also on utilising the language descriptions to automatically create language tools from language descriptions. I use the notion of meta-languages and meta-tools. Meta-languages are used to describe certain language aspects, such as notation or semantics, and meta-tools are used to create language tools, such as editors or interpreters, from corresponding descriptions. This combination of describing and automated development of tools is known as domain specific modelling (DSM). I use DSM based on object-oriented meta-modelling to describe all important aspects of executable computer languages. I look into existing meta-languages and meta-tools for describing language utterances, their concrete representation, and semantics. Furthermore, I develop a new platform to define languages based on the CMOF-model of the OMG MOF 2.x recommendations. I develop a meta-language and meta-tool for textual language notations. Finally, I develop a new graphical meta-language and meta-tool for describing the operational semantics of computer languages. To prove the applicability of the presented techniques, I take SDL, the Specification and Description Language, as an archetype for textually notated languages with executable instances. For this archetype, I show that the presented meta-languages and meta-tools allow to describe such computer languages and allow to automatically create tools for those languages.

Cette thèse se situe à l'intersection de deux domaines-clés : l'ingénierie dirigée par les modèles (IDM) et les méthodes formelles, avec différents champs d'application. Elle porte sur la vérification formelle d'applications parallèles modélisées selon l'approche IDM. Dans cette approche, les modèles tiennent un rôle central et permettent de développer une application par transformations successives (automatisées ou non) entre modèles intermédiaires à différents niveaux d'abstraction, jusqu'à la production de code exécutable. Lorsque les modèles ont une sémantique formelle, il est possible d'effectuer une vérification automatisée ou semi-automatisée de l'application. Ces principes sont mis en oeuvre dans TOPCASED, un environnement de développement d'applications critiques embarquées basé sur ECLIPSE, qui permet la vérification formelle par connexion à des boîtes à outils existantes. Cette thèse met en oeuvre l'approche TOPCASED en s'appuyant sur la boîte à outils CADP pour la vérification et sur son plus récent formalisme d'entrée : LOTOS NT. Elle aborde la vérification formelle d'applications IDM à travers deux problèmes concrets : 1) Pour les systèmes GALS (Globalement Asynchrone Localement Synchrone), une méthode de vérification générique par transformation en LOTOS NT est proposée, puis illustrée sur une étude de cas industrielle fournie par AIRBUS : un protocole pour les communications entre un avion et le sol décrit dans le langage synchrone SAM conçu par AIRBUS. 2) Pour les services Web décrits à l'aide de la norme BPEL (Business Process Execution Language), une méthode de vérification est proposée, qui est basée sur une transformation en LOTOS NT des modèles BPEL, en prenant en compte les sous-langages XML Schema, XPath et WSDL sur lesquels repose la norme BPEL. / The work in this thesis is at the intersection of two major research domains~: Model-Driven Engineering (MDE) and formal methods, and has various fields of application. This thesis deals with the formal verification of parallel applications modelled by the MDE approach. In this approach, models play a central role and enable to develop an application through successive transformations (automated or not) between intermediate models of differing levels of abstraction, until executable code is produced. When models have a formal semantics, the application can be verified, either automatically or semi-automatically. These principles are used in TOPCASED, an ECLIPSE-based development environment for critical embedded applications, which enables formal verification by interconnecting existing tools. This thesis implements the TOPCASED approach by relying on the CADP toolbox for verifying systems, and on its most recent input formalism : LOTOS NT. This thesis tackles the formal verification of MDE applications through two real problems : 1) For GALS (Globally Asynchronous, Locally Synchronous), a generic verification method, based on a transformation to LOTOS NT, is proposed and illustrated by an industrial case-study provided by AIRBUS : a communication protocol between the airplane and the ground described in the synchronous langage SAM designed at AIRBUS. 2) For Web services specified with the BPEL (Business Process Execution Language) norm, a verification method is proposed. It is based on a BPEL to LOTOS NT transformation which takes into account XML Schema, Xpath, and WSDL, the languages on which the BPEL norm is built.

La recherche en génie logiciel a depuis longtemps tenté de mieux comprendre le processus de développement logiciel, minimalement, pour en reproduire les bonnes pratiques, et idéalement, pour pouvoir le mécaniser. On peut identifier deux approches majeures pour caractériser le processus. La première approche, dite transformationnelle, perçoit le processus comme une séquence de transformations préservant certaines propriétés des données à l’entrée. Cette idée a été récemment reprise par l’architecture dirigée par les modèles de l’OMG. La deuxième approche consiste à répertorier et à codifier des solutions éprouvées à des problèmes récurrents. Les recherches sur les styles architecturaux, les patrons de conception, ou les cadres d’applications s’inscrivent dans cette approche. Notre travail de recherche reconnaît la complémentarité des deux approches, notamment pour l’étape de conception: dans le cadre du développement dirigé par les modèles, nous percevons l’étape de conception comme l’application de patrons de solutions aux modèles reçus en entrée. Il est coutume de définir l’étape de conception en termes de conception architecturale, et conception détaillée. La conception architecturale se préoccupe d’organiser un logiciel en composants répondant à un ensemble d’exigences non-fonctionnelles, alors que la conception détaillée se préoccupe, en quelque sorte, du contenu de ces composants. La conception architecturale s’appuie sur des styles architecturaux qui sont des principes d’organisation permettant d’optimiser certaines qualités, alors que la conception détaillée s’appuie sur des patrons de conception pour attribuer les responsabilités aux classes. Les styles architecturaux et les patrons de conception sont des artefacts qui codifient des solutions éprouvées à des problèmes récurrents de conception. Alors que ces artefacts sont bien documentés, la décision de les appliquer reste essentiellement manuelle. De plus, les outils proposés n’offrent pas un support adéquat pour les appliquer à des modèles existants. Dans cette thèse, nous nous attaquons à la conception détaillée, et plus particulièrement, à la transformation de modèles par application de patrons de conception, en partie parce que les patrons de conception sont moins complexes, et en partie parce que l’implémentation des styles architecturaux passe souvent par les patrons de conception. Ainsi, nous proposons une approche pour représenter et appliquer les patrons de conception. Notre approche se base sur la représentation explicite des problèmes résolus par ces patrons. En effet, la représentation explicite du problème résolu par un patron permet : (1) de mieux comprendre le patron, (2) de reconnaître l’opportunité d’appliquer le patron en détectant une instance de la représentation du problème dans les modèles du système considéré, et (3) d’automatiser l’application du patron en la représentant, de façon déclarative, par une transformation d’une instance du problème en une instance de la solution. Pour vérifier et valider notre approche, nous l’avons utilisée pour représenter et appliquer différents patrons de conception et nous avons effectué des tests pratiques sur des modèles générés à partir de logiciels libres. / Software engineering researchers have long tried to understand the software process development to mechanize it or at least to codify its good practices. We identify two major approaches to characterize the process. The first approach—known as transformational—sees the process as a sequence of property-preserving transformations. This idea was recently adopted by the OMG’s model-driven architecture (MDA). The second approach consists in identifying and codifying proven solutions to recurring problems. Research on architectural styles, frameworks and design patterns are part of this approach. Our research recognizes the complementarity of these two approaches, in particular in the design step. Indeed within the model-driven development context, we view software design as the process of applying codified solution patterns to input models. Software design is typically defined in terms of architectural design and detailed design. Architectural design aims at organizing the software in modules or components that meet a set of non-functional requirements while detailed design is—in some way—concerned by the contents of the identified components. Architectural design relies on architectural styles which are principles of organization to optimize certain quality requirements, whereas detailed design relies on design patterns to assign responsibilities to classes. Both architectural styles and design patterns are design artifacts that encode proven solutions to recurring design problems. While these design artifacts are documented, the decision to apply them remains essentially manual. Besides, once a decision has been made to use a design artifact, there is no adequate support to apply it to existing models. As design patterns present an ‘‘easier’’ problem to solve, and because architectural styles implementation relies on design patterns, our strategy for addressing these issues was to try to solve the problem for design patterns first, and then tackle architectural styles. Hence, in this thesis, we propose an approach for representing and applying design patterns. Our approach is based on an explicit representation of the problems solved by design patterns. Indeed, and explicit representation of the problem solved by a pattern enables to: 1) better understand the pattern, 2) recognize the opportunity of applying the pattern by matching the representation of the problem against the models of the considered system, and 3) specify declaratively the application of the pattern as a transformation of an instance of the problem into an instance of the solution. To verify and validate the proposed approach, we used it to represent and apply several design patterns. We also conducted practical tests on models generated from open source systems.

Component failures can result in catastrophic behaviors in safety critical embedded systems, sometimes resulting in loss of life. Component failures can be treated as off nominal behaviors (ONBs) with respect to the components and sub systems involved in an embedded system. A lot of research is being carried out to tackle the problem of ONBs. These approaches are mainly focused on the states (i.e., desired and undesired states of a system at a given point of time to detect ONBs). In this paper, an approach is discussed to detect component failures and critical components of an embedded system. The approach is based on fault tree analysis (FTA), applied to the requirements specification of embedded systems at design time to find out the relationship between individual component failures and overall system failure. FTA helps in determining both qualitative and quantitative relationship between component failures and system failure. Analyzing the system at design time helps in detecting component failures and critical components and helps in devising strategies to mitigate component failures at design time and improve overall safety and reliability of a system.

’Flight’ is a program that uses flight mechanics to estimate the flight range of birds. This program, used by ornithologists, is only available for Windows OS. It requires manual imputation of body measurements and constants (one observation at a time) and this is time-consuming. Therefore, the first task is to implement the methods in R, a programming language that runs on various platforms. The resulting package named flying, has three advantages; first, it can estimate flight range of multiple bird observations, second, it makes it easier to experiment with different settings (e.g. constants) in comparison to Flight and third, it is open-source making contribution relatively easy. Uncertainty and global sen- sitivity analyses are carried out on body measurements separately and with various con- stants. In doing so, the most influential body variables and constants are discovered. This task would have been near impossible to undertake using ’Flight’. A comparison is made amongst the results from a crude partitioning method, generalized additive model, gradi- ent boosting machines and quasi-Monte Carlo method. All of these are based on Sobol’s method for variance decomposition. The results show that fat mass drives the simulations with other inputs playing a secondary role (for example mechanical conversion efficiency and body drag coefficient).

Le crissement de frein est une nuisance sonore qui représente des coûts importants pour l'industrie automobile. Il tire son origine dans des phénomènes complexes à l'interface frottante entre les plaquettes de frein et le disque. L'analyse de stabilité reste aujourd'hui la méthode privilégiée dans l'industrie pour prédire la stabilité d'un système de frein malgré ses aspects sur- et sous-prédictifs.Afin de construire un système de frein robuste, il est nécessaire de trouver la technologie qui permette de limiter les instabilités malgré certains paramètres incertains présents dans le système. Ainsi, l'un des objectifs de la thèse est de développer une méthode permettant de traiter et de propager l'incertitude et la variabilité de certains paramètres dans le modèle éléments finis de frein avec des coûts numériques abordables.Dans un premier temps, l'influence d'un premier groupe de paramètres correspondant à des contacts internes au système a été étudiée afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu et leurs impacts sur le phénomène de crissement. Une approche basée sur l'utilisation d'un algorithme génétique a été également mise en place afin d'identifier le jeu de paramètres le plus défavorable en terme de propension au crissement sur le système.Dans un second temps, différentes méthodes de méta-modélisation ont été proposées afin de prédire la stabilité du système de frein en fonction de différents paramètres qui peuvent être des paramètres de conception ou des paramètres incertains liés à l'environnement du système.Dans un troisième temps, une méthode d'analyse non-linéaire complémentaire de l'analyse de stabilité a été proposée et développée. Elle se base sur le suivi de la stabilité d'une solution vibratoire approchée et permet d'identifier les modes instables présents dans la réponse dynamique du système. Cette méthode a été appliquée sur un modèle simple avant d'illustrer sa faisabilité sur le modèle éléments finis de frein complet. / Brake squeal is a noise nuisance that represents significant costs for the automotive industry. It originates from complex phenomena at the frictional interface between the brake pads and the disc. The stability analysis remains the preferred method in the industry today to predict the stability of a brake system despite its over- and under-predictive aspects.In order to build a robust brake system, it is necessary to find the technology that limits instabilities despite some uncertain parameters present in the system. Thus, one of the main objectives of the PhD thesis is to develop a method to treat and propagate the uncertainty and variability of some parameters in the finite element brake model with reasonable numerical costs.First, the influence of a first group of parameters corresponding to contacts within the system was studied in order to better understand the physical phenomena involved and their impacts on the squealing phenomenon. An approach based on the use of a genetic algorithm has also been implemented to identify the most unfavourable set of parameters in terms of squeal propensity on the brake system.In a second step, different meta-modelling methods were proposed to predict the stability of the brake system with respect to different parameters that may be design parameters or uncertain parameters related to the environment of the brake system.In a third step, a non-linear analysis method complementary to the stability analysis was proposed and developed. It is based on the tracking of the stability of an approximate vibrational solution and allows the identification of unstable modes present in the dynamic response of the system. This method was applied to a simple academic model before demonstrating its feasibility on the complete industrial brake finite element model under study.

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Business organisations today are faced with the complex problem of dealing with evolution in their software information systems. This effectively concerns the accommodation and facilitation of change, in terms of both changing user requirements and changing technological requirements. An approach that uses the software development life-cycle as a vehicle to study the problem of evolution is adopted. This involves the stages of requirements analysis, system specification, design, implementation, and finally operation and maintenance. The problem of evolution is one requiring proactive as well as reactive solutions for any given application domain. Measuring evolvability in conceptual models and the specification of changing requirements are considered. However, even "best designs" are limited in dealing with unanticipated evolution, and require implementation phase paradigms that can facilitate an evolution correctly (semantic integrity), efficiently (minimal disruption of services) and consistently (all affected parts are consistent following the change). These are also discussed / Computing / M. Sc. (Information Systems)

Business organisations today are faced with the complex problem of dealing with evolution in their software information systems. This effectively concerns the accommodation and facilitation of change, in terms of both changing user requirements and changing technological requirements. An approach that uses the software development life-cycle as a vehicle to study the problem of evolution is adopted. This involves the stages of requirements analysis, system specification, design, implementation, and finally operation and maintenance. The problem of evolution is one requiring proactive as well as reactive solutions for any given application domain. Measuring evolvability in conceptual models and the specification of changing requirements are considered. However, even "best designs" are limited in dealing with unanticipated evolution, and require implementation phase paradigms that can facilitate an evolution correctly (semantic integrity), efficiently (minimal disruption of services) and consistently (all affected parts are consistent following the change). These are also discussed / Computing / M. Sc. (Information Systems)