Vérification Formelle et Incrémentale de Spécifications SysML pour la Conception de Systèmes à Base de ComposantsLe travail présenté dans cette thèse est une contribution à la spécification et la vérification des Systèmes à Base de Composants (SBC) modélisé avec le langage SysML. Les SBC sont largement utilisés dans le domaine industrielet ils sont construits en assemblant différents composants réutilisables, permettant ainsi le développement de systèmes complexes en réduisant leur coût de développement. Malgré le succès de l'utilisation des SBC, leur conception est une étape de plus en plus complexe qui nécessite la mise en {\oe}uvre d'approches plus rigoureuses.Pour faciliter la communication entre les différentes parties impliquées dans le développement d'un SBC, un des langages largement utilisé est SysML, qui permet de modéliser, en plus de la structure et le comportement du système, aussi ses exigences. Il offre un standard de modélisation, spécification et documentation de systèmes, dans lequel il est possible de développer un système, partant d'un niveau abstrait, vers des niveaux plus détaillés pouvant aboutir à une implémentation. %Généralement ces systèmes sont faits plus grands parce qu'ils sont développés avec des cadres logiciels.Dans ce contexte nous avons traité principalement deux problématiques.La première est liée au développement par raffinement d'un SBC modélisé uniquement par ses interfaces SysML. Notre contribution permet au concepteur des SBC de garantir formellement qu'une composition d'un ensemble de composants élémentaires et réutilisables raffine une spécification abstraite d'un SBC. Dans cette contribution, nous exploitons les outils: Ptolemy pour la vérification de la compatibilité des composants assemblés, et l'outil MIO Workbench pour la vérification du raffinementLa deuxième problématique traitée concerne la difficulté de déterminer quoi construire et comment le construire, en considérant seulement les exigences du système et des composants réutilisables, donc la question qui en découle est la suivante: comment spécifier une architecture SBC qui satisfait toutes les exigences du système? Nous proposons une approche de vérification formelle incrémentale basée sur des modèles SysML et des automates d'interface pour guider, par les exigences, le concepteur SBC afin de définir une architecture de système cohérente, qui satisfait toutes les exigences SysML proposées. Dans cette approche nous exploitons le model-checker SPIN et la LTL pour spécifier et vérifier les exigences.Mots clés: {Modélisation, Spécifications SysML, Architecture SBC, Raffinement, Compatibilité, Exigences, Propriétés LTL, Promela/SPIN, Ptolemy, MIO Workbench} / Formal and Incremental Verification of SysML Specifications for the Design of Component-Based SystemsThe work presented in this thesis is a contribution to the specification and verification of Component-Based Systems (CBS) modeled in SysML. CBS are widely used on the industrial field, and they are built by assembling various reusable components, allowing developing complex systems at lower cost.Despite the success of the use of CBS, their design is an increasingly complex step that requires the implementation of more rigorous approaches.To ease the communication between the various stakeholders in a CBS development project, one of the widely used modeling languages is SysML, which besides allowing modeling of structure and behavior, it has capabilities to model requirements. It offers a standard for modeling, specifying and documenting systems, wherein it is possible to develop a system, starting from an abstract level, to more detailed levels that may lead to an implementation.In this context, we have dealt mainly two issues. The first one concerns the development by refinement of a CBS, which is described only by its SysML interfaces and behavior protocols. Our contribution allows the designer of CBS to formally ensure that a composition of a set of elementary and reusable components refines an abstract specification of a CBS. In this contribution, we use the tools: Ptolemy for the verification of compatibility of the assembled components and MIO Workbench for refinement verification.The second one concerns the difficulty to decide what to build and how to build it, considering only system requirements and reusable components. Therefore, the question that arises is: how to specify a CBS architecture, which satisfies all system requirements? We propose a formal and incremental verification approach based on SysML models and interface automata to guide, by the requirements, the CBS designer to define a coherent system architecture that satisfies all proposed SysML requirements. In this approach we use the SPIN model-checker and LTL properties to specify and verify requirements.Keywords: {Modeling, SysML specifications, CBS architecture, Refinement, Compatibility, Requirements, LTL properties, Promela/SPIN, Ptolemy, MIO Workbench}

Les systèmes logiciels sont devenus omniprésents se substituant à l'homme pour des tâches délicates, souvent critiques, mettant en jeu des coûts importants voire des vies humaines. Les conséquences des défaillances imposent la recherche de méthodes rigoureuses pour la validation. L'approche par automates du model-checking est la plus classique des approches de vérification automatique. Elle prend en entrée un modèle du système et une propriété, et permet de savoir si cette dernière est vérifiée. Pour cela un model-checker traduit la négation de la propriété en un automate et vérifie si le produit du système et de cet automate est vide. Hélas, bien qu'automatique, cette approche souffre d'une explosion combinatoire du nombre d'états du produit.Afin de combattre ce problème, en particulier lors de la vérification des propriétés insensibles au bégaiement, nous proposons la première évaluation d'automates testeur (TA) sur des modèles réalistes, une amélioration de l'algorithme de vérification pour ces automates et une méthode permettant de transformer un TA en un automate (STA) permettant une vérification en une seule passe.Nous proposons aussi une nouvelle classe d'automates: les TGTA. Ces automates permettent une vérification en une seule passe sans ajouter d'états artificiels. Cette classe combine les avantages des TA et des TGBA (automates de Büchi). Les TGTA permettent d'améliorer les approches explicite et symbolique de model-checking. Notamment, en combinant les TGTA avec la saturation, les performances de l'approche symbolique sont améliorées d'un ordre de grandeur par rapport aux TGBA. / Software systems have become ubiquitous in our everyday life. They replace humans for critical tasks that involve high costs and even human lives. The serious consequences caused by the failure of such systems make crucial the use of rigorous methods for system validation. One of the widely-used formal verification methods is the automata-theoretic approach to model checking. It takes as input a model of the system and a property, and answers if the model satisfies or not the property. To achieve this goal, it translates the negation of the property in an automaton and checks whether the product of the model and this automaton is empty. Although it is automatic, this approach suffers from the combinatorial explosion of the resulting product. To tackle this problem, especially when checking stutter-invariant LTL properties, we firstly improve the two-pass verification algorithm of Testing automata (TA), then we propose a transformation of TA into a normal form (STA) that only requires a single-pass verification algorithm.
 We also propose a new type of automata: the TGTA. These automata also enable a check in a single-pass and without adding artificial states : it combines the benefits of TA and generalized Büchi automata (TGBA). TGTA improve the explicit and symbolic model checking approaches. In particular, by combining TGTA with the saturation technique, the performances of the symbolic approach has been improved by an order of magnitude compared to TGBA. Used in hybrid approaches TGTA prove complementary to TGBA.
 All the contributions of this work have been implemented in SPOT and LTS-ITS, respectively, an explicit and a symbolic open source model-checking libraries.

De nombreux systèmes hétérogènes sont complexes et critiques. Ces systèmes intègrent du logiciel et des composants matériels avec des interactions fortes entre ces composants. Dans ce contexte, il est devenu absolument nécessaire de développer des méthodologies et des techniques pour spéciier et valider ces systèmes.Dans l'ingénierie des systèmes, les exigences sont l'expression des besoins qu'un produit spécifique ou un service doit réaliser. Elles sont définies formellement à de nombreuses occasions dans l'ingénierie des systèmes complexes. Dans ce type de système, deux catégories d'exigence sont présentes : les exigences non-fonctionnelles telles que la performance et la fiabilité, les exigences fonctionnelles telles que la vivacité. Pour valider ces exigences, un environnement permettant de simuler et vérifier ces propriétés est essentiel.Dans notre travail, nous proposons une méthodologie basée sur SysML et combinée avec SystemC et Promela/SPIN pour spéciier et valider des systèmes complexes. Cette approche est basée sur l'ingénierie dirigée par les modèles pour premièrement traduire des modèles SysML en SystemC afin de réaliser des simulations et deuxièmement traduire des diagrammes d'état SysML en Promela/SPINain de vérifier des propriétés temporelles extraites des exigences. Cette approche est expérimentée sur une étude de cas pour démontrer sa faisabilité. / Heterogeneous Systems are complex and become very critical. These systems integrate software andhardware components with intensive interaction between them. In this context, there is a strongnecessity to develop methodologies and techniques to specify and validate these systems.In engineering, the requirements are the expression of needs on what a particular product or a serviceshould be or to make. They are used most of the time in a formal sense in the systems engineering.In this kind of systems, several types of requirements are present: non-functional requirements suchas the performance and the reliability and functional requirements such as the liveliness. To validatethese requirements of a system, an environment to simulate and to check the properties is essential.In our work, we propose a methodology based on SysML combined with SystemC and Promela/SPINto specify and validate complex systems. This approach is based on Model Driven Engineeringtechniques to irstly translate SysML models to systemC with the aim of simulation and to mapSysML behavioral diagrams to Promela/SPIN in order to verify temporal properties extracted fromthe requirements. The approach is experimented on case studies to demonstrate its feasibility.