Mechatronic design is an enigma. On the one hand, mechatronic products promise enhanced functionality, and better performance at reduced cost. On the other hand, optimizing mechatronic design concepts is a major challenge to overcome during the design process. In the past, less attention has been paid to the life phases of a mechatronic product, and it was assumed that modifications in electronics and software will ensure that the product performs to expectation throughout its life time. However it has been realized that introducing design changes in mechatronics is not easy, since it is difficult to assess the consequences of a design decision, both during the design process of a new product, and during a design modification. It is also realized that there is a strong need to consider the product's life phases during the early phases of product development. Furthermore, it is rather difficult to perform a design optimization since it requires introducing changes across different domains, which is not well supported by the methods and tools available today. This thesis investigates the topic of mechatronic design and attacks some of the major challenges that have been identified regarding the design of mechatronic products. The goal is to provide support to the designers to facilitate better understanding of the consequences of their design choices as early as possible. The work also aims to provide support for assessing alternative design concepts, and for optimizing a design concept based on requirements, constraints and designer preferences at the time of design. The thesis highlights three main challenges related to mechatronic product development: the need for a common language during conceptual design; the inadequate information transfer between engineering domains; and the difficulty in assessing the properties of competing mechatronic concepts. A model-based integration approach is presented, and these key challenges are considered in relation to an integrated modeling and design infrastructure. The approach is illustrated through the design of two mechatronic systems- a two degrees-of-freedom robot, and a hospital bed propulsion system. Initial results provide evidence of good potential for information transfer across mechatronic domains. Although SysML was used for the case studies, some important questions were raised about its suitability as a common language for mechatronics. Suggestions for future work are: to utilize the developed infrastructure and incorporate a capability to model and assess consequences of competing design concepts; provide support for optimizing these concepts; and evaluate the usefulness of the developed infrastructure in a real-world design setting. These efforts should provide ample information to the designer for making adequate decisions during the design process. / QC 20110629

Lors de la conception et la manipulation de logiciel par modélisation, il est avantageux de bénéficier d’un grand degré de liberté au niveau de la présentation afin de comprendre l’information et prendre une action en exerçant peu d’effort cognitif et physique. Cette caractéristique doit aussi s’étendre aux outils que nous employons afin que ceux-ci augmentent nos capacités, plutôt que les restreindre. En génie logiciel, nous travaillons présentement à rehausser encore le niveau d’abstraction afin de réduire le rôle central du code décrit avec un langage de programmation à usage général. Ceci permettrait d’inclure les experts non techniques dans les activités de développement de logiciel. Cette approche, centralisée sur le domaine et l’expert, s’inscrit dans l’ingénierie dirigée par les modèles (IDM), où un modèle est produit et manipulé par divers experts et utilisateurs. Le modèle est alors décrit avec un langage créé spécifiquement pour un domaine d’application ou une tache, appelé langage dédié (DSL). Une technique utilisée pour créer ces modèles et leurs DSL est le projectional editing, qui permet d’utiliser des notations diverses interchangeables et d’étendre et composer facilement un langage. Toutefois, les solutions actuelles sont lourdes, spécifiques à une plateforme, et manquent considérablement d’utilisabilité, limitant ainsi l’usage et l’exploitation de cette approche. Pour mieux refléter les avantages du paradigme IDM avec le style projectionnel, nous introduisons dans cette thèse Gentleman, un éditeur projectionnel léger sur le web. Avec Gentleman, le développeur crée un modèle en combinant des concepts utilisés pour définir la structure du modèle et des projections pour les manipuler dans l’éditeur. Nous avons évalué Gentleman à travers une étude basée sur un groupe d’utilisateur. L’étude a confirmé sa capacité à créer et manipuler des modèles efficacement. Les participants ont noté qu’il est facile de prendre en main Gentleman et que l’interface est très intuitive comparativement aux éditeurs existants. Nous avons aussi intégré Gentleman avec succès à une plateforme web, démontrant ainsi ses capacités d’interopérabilité et l’avantage d’une solution web. / In software activities and, more specifically, when modeling, the modeler should benefit from as much freedom as possible to understand the presented information and take action with minimal cognitive and mechanical effort. This characteristic should also apply to the tools used in the process so that they extend our capabilities rather than limit them. In the field of software engineering, current work aims to push the level of abstraction past general-purpose programming language into domain-specific modeling. This enables domain experts with various backgrounds to participate in software development activities. This vision is central to model-driven engineering (MDE) where, instead of code, various experts and users produce and manipulate domain-specific language (DSL). In recent years, projectional editing has proven to be a valid approach to creating and manipulating DSLs, as it supports various easily interchangeable notations and enables language extension and composition. However, current solutions are heavyweight, platform-specific, and suffer from poor usability. To better support this paradigm and minimize the risk of accidental complexity in terms of expressiveness, in this thesis, we introduce Gentleman, a lightweight web-based projectional editor. With Gentleman, a developer creates a model by combining concepts used to define its structure and projections to interact and manipulate them in the editor. We have evaluated Gentleman through a user study. The evaluation confirmed its capacity to create and manipulate models effectively. Most participants noted that the editor is very user-friendly and intuitive compared to existing editors. We have also successfully integrated Gentleman into a web application, demonstrating its interoperability and the benefit of a web solution.

L’automatisation et l’intelligence constituent des préoccupations majeures dans le domaine de l’Informatique. Avec l’évolution accrue de l’Intelligence Artificielle, les chercheurs et l’industrie se sont orientés vers l’utilisation des modèles d’apprentissage automatique et d’apprentissage profond pour optimiser les tâches, automatiser les pipelines et construire des systèmes intelligents. Les grandes capacités de l’Intelligence Artificielle ont rendu possible d’imiter et même surpasser l’intelligence humaine dans certains cas aussi bien que d’automatiser les tâches manuelles tout en augmentant la précision, la qualité et l’efficacité. En fait, l’accomplissement de tâches informatiques nécessite des connaissances, une expertise et des compétences bien spécifiques au domaine. Grâce aux puissantes capacités de l’intelligence artificielle, nous pouvons déduire ces connaissances en utilisant des techniques d’apprentissage automatique et profond appliquées à des données historiques représentant des expériences antérieures. Ceci permettra, éventuellement, d’alléger le fardeau des spécialistes logiciel et de débrider toute la puissance de l’intelligence humaine. Par conséquent, libérer les spécialistes de la corvée et des tâches ordinaires leurs permettra, certainement, de consacrer plus du temps à des activités plus précieuses. En particulier, l’Ingénierie dirigée par les modèles est un sous-domaine de l’informatique qui vise à élever le niveau d’abstraction des langages, d’automatiser la production des applications et de se concentrer davantage sur les spécificités du domaine. Ceci permet de déplacer l’effort mis sur l’implémentation vers un niveau plus élevé axé sur la conception, la prise de décision. Ainsi, ceci permet d’augmenter la qualité, l’efficacité et productivité de la création des applications. La conception des métamodèles est une tâche primordiale dans l’ingénierie dirigée par les modèles. Par conséquent, il est important de maintenir une bonne qualité des métamodèles étant donné qu’ils constituent un artéfact primaire et fondamental. Les mauvais choix de conception, ainsi que les changements conceptuels répétitifs dus à l’évolution permanente des exigences, pourraient dégrader la qualité du métamodèle. En effet, l’accumulation de mauvais choix de conception et la dégradation de la qualité pourraient entraîner des résultats négatifs sur le long terme. Ainsi, la restructuration des métamodèles est une tâche importante qui vise à améliorer et à maintenir une bonne qualité des métamodèles en termes de maintenabilité, réutilisabilité et extensibilité, etc. De plus, la tâche de restructuration des métamodèles est délicate et compliquée, notamment, lorsqu’il s’agit de grands modèles. De là, automatiser ou encore assister les architectes dans cette tâche est très bénéfique et avantageux. Par conséquent, les architectes de métamodèles pourraient se concentrer sur des tâches plus précieuses qui nécessitent de la créativité, de l’intuition et de l’intelligence humaine. Dans ce mémoire, nous proposons une cartographie des tâches qui pourraient être automatisées ou bien améliorées moyennant des techniques d’intelligence artificielle. Ensuite, nous sélectionnons la tâche de métamodélisation et nous essayons d’automatiser le processus de refactoring des métamodèles. A cet égard, nous proposons deux approches différentes: une première approche qui consiste à utiliser un algorithme génétique pour optimiser des critères de qualité et recommander des solutions de refactoring, et une seconde approche qui consiste à définir une spécification d’un métamodèle en entrée, encoder les attributs de qualité et l’absence des design smells comme un ensemble de contraintes et les satisfaire en utilisant Alloy. / Automation and intelligence constitute a major preoccupation in the field of software engineering. With the great evolution of Artificial Intelligence, researchers and industry were steered to the use of Machine Learning and Deep Learning models to optimize tasks, automate pipelines, and build intelligent systems. The big capabilities of Artificial Intelligence make it possible to imitate and even outperform human intelligence in some cases as well as to automate manual tasks while rising accuracy, quality, and efficiency. In fact, accomplishing software-related tasks requires specific knowledge and skills. Thanks to the powerful capabilities of Artificial Intelligence, we could infer that expertise from historical experience using machine learning techniques. This would alleviate the burden on software specialists and allow them to focus on valuable tasks. In particular, Model-Driven Engineering is an evolving field that aims to raise the abstraction level of languages and to focus more on domain specificities. This allows shifting the effort put on the implementation and low-level programming to a higher point of view focused on design, architecture, and decision making. Thereby, this will increase the efficiency and productivity of creating applications. For its part, the design of metamodels is a substantial task in Model-Driven Engineering. Accordingly, it is important to maintain a high-level quality of metamodels because they constitute a primary and fundamental artifact. However, the bad design choices as well as the repetitive design modifications, due to the evolution of requirements, could deteriorate the quality of the metamodel. The accumulation of bad design choices and quality degradation could imply negative outcomes in the long term. Thus, refactoring metamodels is a very important task. It aims to improve and maintain good quality characteristics of metamodels such as maintainability, reusability, extendibility, etc. Moreover, the refactoring task of metamodels is complex, especially, when dealing with large designs. Therefore, automating and assisting architects in this task is advantageous since they could focus on more valuable tasks that require human intuition. In this thesis, we propose a cartography of the potential tasks that we could either automate or improve using Artificial Intelligence techniques. Then, we select the metamodeling task and we tackle the problem of metamodel refactoring. We suggest two different approaches: A first approach that consists of using a genetic algorithm to optimize set quality attributes and recommend candidate metamodel refactoring solutions. A second approach based on mathematical logic that consists of defining the specification of an input metamodel, encoding the quality attributes and the absence of smells as a set of constraints and finally satisfying these constraints using Alloy.

Les modélisateurs rencontrent souvent des incertitudes sur la manière de concevoir un modèle logiciel particulier. Les recherches existantes ont montré comment les modélisateurs peuvent travailler en présence de ce type d' ''incertitude au moment de la conception''. Cependant, le processus par lequel les développeurs en viennent à exprimer leurs incertitudes reste flou. Dans cette thèse, nous prenons des pas pour combler cette lacune en proposant de créer un langage de modélisation d'incertitude et une approche pour articuler l'incertitude au moment de la conception. Nous illustrons notre proposition sur un exemple et l'évaluons non seulement sur deux scénarios d'ingénierie logicielle, mais aussi sur une étude de cas réel basée sur les incertitudes causées par la pandémie COVID-19. Nous menons également un questionnaire post-étude avec les chercheurs qui ont participé à l'étude de cas. Afin de prouver la faisabilité de notre approche, nous fournissons deux outils et les discutons. Enfin, nous soulignons les avantages et discutons des limites de notre travail actuel. / Modellers often encounter uncertainty about how to design a particular software model. Existing research has shown how modellers can work in the presence of this type of ''design-time uncertainty''. However, the process by which developers come to elicit and express their uncertainties remains unclear. In this thesis, we take steps to address this gap by proposing to create an uncertainty modelling language and an approach for articulating design-time uncertainty. We illustrate our proposal on a worked example and evaluate it not only on two software engineering scenarios, but also on a real case study based on uncertainties caused by the COVID-19 pandemic. We also conduct a post-study questionnaire with the researchers who participated in the case study. In order to prove the feasibility of our approach, we provide two tool supports and discuss them. Finally, we highlight the benefits and discuss the limitations of our current work.

La complexité du logiciel augmente tout le temps: les systèmes deviennent plus grands et plus complexes. La modélisation est un élément central de génie logicielle pour relever les défis de la complexité. Cependant, un défi majeur auquel est confronté le développement de logiciels axés sur les modèles est l'évolutivité des outils de modélisation avec une taille croissante de modèles. Certaines initiatives ont commencé à explorer la modélisation tout en stockant des modèles dans une base de données de graphes. Dans cette thèse, nous présentons NMF, un framework pour créer et éditer des modèles dans une base de données Neo4j élevée à l'abstraction du langage de modélisation. / Software complexity increases all the time: systems become larger and more complex. Modeling is a central part of software engineering to tackle challenges of complexity. However, a prominent challenge model-driven software development is facing is scalability of modeling tools with a growing size of models. Some initiatives started exploring modeling while storing models in a graph database. In this thesis, we present NMF, a framework to create and edit MDE models in a Neo4j database lifted to the abstraction of the modeling language.

Le développement de tests pour les systèmes d’avioniques met en jeu une multiplicité de langages de test propriétaires, sans aucun standard émergent.Les fournisseurs de solutions de test doivent tenir compte des habitudes des différents clients, tandis que les échanges de tests entre les avionneurs et leurs équipementiers / systémiers sont entravés. Nous proposons une approche dirigée par les modèles pour s’attaquer à ces problèmes: des modèles de test sont développés et maintenus à la place du code, avec des transformations modèle-vers-code vers des langages de test cibles. Cette thèse présente trois contributions dans ce sens. La première consiste en l’analyse de quatre langages de test propriétaires actuellement déployés. Elle nous a permis d’identifier les concepts spécifiques au domaine, les meilleures pratiques,ainsi que les pièges à éviter. La deuxième contribution est la définition d’un méta-modèle en EMF Ecore, qui intègre tous les concepts identifiés et leurs relations. Le méta-modèle est la base pour construire des éditeurs de modèles de test et des motifs de génération de code. Notre troisième contribution est un d´démonstrateur de la façon dont ces technologies sont utilisées pour l’élaboration des tests. Il comprend des éditeurs personnalisables graphiques et textuels pour des modèles de test, ainsi que des transformations basées-motifs vers un langage du test exécutable sur une plateforme de test réelle. / The development of tests for avionics systems involves a multiplicity of in-house test languages, with no standard emerging. Test solution providers have to accommodate the habits of different clients, while the exchange of tests between aircraft manufacturers and their equipment/system providers is hindered. We propose a model-driven approach to tackle these problems: test models would be developed and maintained in place of code, with model-to-code transformations towards target test languages. This thesis presents three contributions in this direction. The first one consists in the analysis of four proprietary test languages currently deployed. It allowed us to identify the domain-specific concepts, best practices, as well as pitfalls to avoid. The second contribution is the definition of a meta-model in EMF Ecore that integrates all identified concepts and their relations. The meta-model is the basis for building test model editors and code generation templates. Our third contribution is a demonstrator of how these technologies are used for test development. It includes customizable graphical and textual editors for test models, together with template-based transformations towards a test language executable on top of a real test platform.

L’ingénierie dirigée par les modèles (IDM) est un paradigme du génie logiciel qui utilise les modèles comme concepts de premier ordre à partir desquels la validation, le code, les tests et la documentation sont dérivés. Ce paradigme met en jeu divers artefacts tels que les modèles, les méta-modèles ou les programmes de transformation des modèles. Dans un contexte industriel, ces artefacts sont de plus en plus complexes. En particulier, leur maintenance demande beaucoup de temps et de ressources. Afin de réduire la complexité des artefacts et le coût de leur maintenance, de nombreux chercheurs se sont intéressés au refactoring de ces artefacts pour améliorer leur qualité. Dans cette thèse, nous proposons d’étudier le refactoring dans l’IDM dans sa globalité, par son application à ces différents artefacts. Dans un premier temps, nous utilisons des patrons de conception spécifiques, comme une connaissance a priori, appliqués aux transformations de modèles comme un véhicule pour le refactoring. Nous procédons d’abord par une phase de détection des patrons de conception avec différentes formes et différents niveaux de complétude. Les occurrences détectées forment ainsi des opportunités de refactoring qui seront exploitées pour aboutir à des formes plus souhaitables et/ou plus complètes de ces patrons de conceptions. Dans le cas d’absence de connaissance a priori, comme les patrons de conception, nous proposons une approche basée sur la programmation génétique, pour apprendre des règles de transformations, capables de détecter des opportunités de refactoring et de les corriger. Comme alternative à la connaissance disponible a priori, l’approche utilise des exemples de paires d’artefacts d’avant et d’après le refactoring, pour ainsi apprendre les règles de refactoring. Nous illustrons cette approche sur le refactoring de modèles. / Model-Driven Engineering (MDE) is a software engineering paradigm that uses models as first-class concepts from which validation, code, testing, and documentation are derived. This paradigm involves various artifacts such as models, meta-models, or model transformation programs. In an industrial context, these artifacts are increasingly complex. In particular, their maintenance is time and resources consuming. In order to reduce the complexity of artifacts and the cost of their maintenance, many researchers have been interested in refactoring these artifacts to improve their quality. In this thesis, we propose to study refactoring in MDE holistically, by its application to these different artifacts. First, we use specific design patterns, as an example of prior knowledge, applied to model transformations to enable refactoring. We first proceed with a detecting phase of design patterns, with different forms and levels of completeness. The detected occurrences thus form refactoring opportunities that will be exploited to implement more desirable and/or more complete forms of these design patterns. In the absence of prior knowledge, such as design patterns, we propose an approach based on genetic programming, to learn transformation rules, capable of detecting refactoring opportunities and correcting them. As an alternative to prior knowledge, our approach uses examples of pairs of artifacts before and after refactoring, in order to learn refactoring rules. We illustrate this approach on model refactoring.

L’ingénierie dirigée par les modèles (EDM) est un paradigme de développement logiciel qui promeut l’utilisation de modèles en tant qu’artefacts de première plan et de processus automatisés pour en dériver d’autres artefacts tels que le code, la documentation et les cas de test. La transformation de modèle est un élément important de l’EDM puisqu’elle permet de manipuler les représentations abstraites que sont les modèles. Les transformations de modèles, comme d’autres programmes, sont sujettes à la fois à des erreurs syntaxiques et sémantiques. La correction de ces erreurs est difficile et chronophage, car les transformations dépendent du langage de transformation comme ATL et des langages de modélisation dans lesquels sont exprimés les modèles en entrée et en sortie. Les travaux existants sur la réparation des transformations ciblent les erreurs syntaxiques ou sémantiques, une erreur à la fois, et définissent manuellement des patrons de correctifs. L’objectif principal de notre recherche est de proposer un cadre générique pour corriger automatiquement de multiples erreurs syntaxiques et sémantiques. Afin d’atteindre cet objectif, nous reformulons la réparation des transformations de modèles comme un problème d’optimisation multiobjectif et le résolvons au moyen d’algorithmes évolutionnaires. Pour adapter le cadre aux deux catégories d’erreurs, nous utilisons différents types d’objectifs et des stratégies sophistiquées pour guider l’exploration de l’espace des solutions. / Model-driven engineering (MDE) is a software development paradigm that promotes the use of models as first-class artifacts and automated processes to derive other artefacts from them such as code, documentation and test cases. Model transformation is an important element of MDE since it allows to manipulate the abstract representations that are models. Model transformations, as other programs are subjects to both syntactic and semantic errors. Fixing those errors is difficult and time consuming as the transformations depend on the transformation language such as ATL, and modeling languages in which input and output models are expressed. Existing work on transformation repair targets either syntactic or semantic errors, one error at a time, and define patch templates manually. The main goal of our research is to propose a generic framework to fix multiple syntactic and semantic errors automatically. In order to achieve this goal, we reformulate the repair of model transformations as a multi-objective optimization problem and solve it by means of evolutionary algorithms. To adapt the framework to the two categories of errors, we use different types of objectives and sophisticated strategies to guide the search.

En ingénierie dirigée par les modèles, les langages spécifiques au domaine (DSL) offrent des notations adaptées à un domaine précis pour représenter ses différents concepts. De nombreux outils permettent la définition de DSLs en explicitant les relations entre un concept et ses représentations. En fonction de la sémantique du domaine, l’ingénieur du langage peut choisir entre des notations textuelles ou graphiques. Les langages de modélisation graphique nécessitent une gestion de la position, la taille et la disposition des éléments visuels afin de maximiser leur expressivité visuelle. La plupart des éditeurs de modélisation manquent de support automatique pour gérer ces propriétés de la syntaxe concrète. Les éditeurs projectionnels permettent aux utilisateurs de se concentrer sur la conception de leur modèle en limitant les modifications de la syntaxe concrète. Cependant, bien qu’ils offrent de multiples notations, ces éditeurs ne permettent pas la création de langage graphique. Dans ce mémoire, nous proposons une nouvelle approche pour concevoir des éditeurs graphiques et projectionnels. Nous avons créé une extension d’un éditeur projectionnel orienté vers le web, Gentleman, qui nous a permis d’extraire différentes exigences. Au cours du mémoire, nous décrivons leurs impacts sur les projections et proposons des lignes directrices ainsi que des exemples d’implémentation. Comme l’édition projectionnelle demande une gestion spécifique de l’interaction, nous présentons différentes approches pour interagir avec les représentations graphiques utilisant les nouvelles informations disponibles dans les projections. Étant donné que la plupart des exigences se concentrent sur la disposition des projections, nous avons défini plusieurs algorithmes simples de disposition qui couvrent une large gamme de structures pouvant être retrouvées dans un éditeur graphique. Enfin, afin d’évaluer cette approche, nous avons exploré la génération de trois éditeurs graphiques et projectionnels pour différents domaines: les machines d’états, les diagrammes de séquences et les partitions de musique. / In model-driven engineering, domain specific-languages (DSL) provide tailored notations towards a specific problem domain to represent its different concepts. Multiple tools allow the definition of DSL by specifying the relations between a concept and its representations. Depending on the semantics of the domain, the language engineer can choose between textual or graphical notations. Graphical modeling languages require proper management of position, size, and layout to maximize their visual expressiveness. Most modeling editors lack automated support to manage these graphical concrete syntax properties. It is a time-consuming effort that affects the understandability of the model. Projectional editors prevent end-users from modifying the concrete syntax so they can focus on the modeling task. However, while they offer multiple notations, these editors lack support for graphical languages. During this thesis, we propose a new approach to design graphical and projectional editors. We created an extension of a web-oriented projectional editor, Gentleman, that allowed us to extract different requirements. During the thesis, we describe their impact on the projections and propose guidelines and examples of implementation. Because projectional editing requires specific management of the interaction, we present multiple approaches to interact with the graphical representations, using the new information available in the graphics. Since most of the requirements were focusing on the disposition of the projection, we define multiple simple layout algorithms that cover a large range of structures that can be found in a graphical editor. Finally, we explore the generation of three graphical and projectional editors for different domains: statecharts, sequence diagrams, and music sheet.

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