En matière de gestion des eaux usées urbaines, l’évolution de la réglementation vers une approche holistique amène les gestionnaires des réseaux d’égouts et des stations de récupération des ressources de l’eau (StaRRE) à considérer le système intégré d’assainissement urbain (SIAU) de manière globale. Ce changement de paradigme ouvre la porte à des collaborations entre les domaines, autrefois considérés comme distincts, que sont le drainage urbain et le traitement des eaux usées. Dans ce contexte d’innovation et d’intégration, la modélisation devient un outil clef, permettant d’appréhender la complexité des interactions entre les différentes composantes d’un SIAU. D’autre part, les gestionnaires de SIAU sont amenés à développer la résilience de leurs systèmes pour faire face aux impacts des changements climatiques, dont les effets à long terme sont difficilement quantifiables. Cependant, les experts s’accordent à dire que les évènements de pluie d’intensité extrême deviendront plus fréquents, et viendront tester les capacités opérationnelles des infrastructures actuelles. Afin que les ouvrages continuent à fournir une performance respectant les normes en vigueur, tout en respectant les contraintes budgétaires de leurs gestionnaires, les solutions flexibles, telles que l’implantation de systèmes de contrôle en temps réel (CTR), devraient être privilégiées. D’autant plus que, grâce aux récents développements technologiques, de nouveaux outils de mesure, de communication et d’analyse, de plus en plus fiables, sont mis en marché. L’objectif de cette thèse est de proposer et d’évaluer la pertinence d’une gestion intégrée du SIAU par CTR basé sur la qualité de l’eau, utilisant des mesures de turbidité, un indicateur de la pollution particulaire, pouvant également être mesurée en concentration de matières en suspension (MeS). Ces stratégies de contrôles innovantes visent à réduire le déversement global de polluants particulaires (et des polluants associés, tels que les métaux lourds, les pathogènes, etc.) dans le milieu naturel. Dans ce cadre, un modèle intégré – réseau d’égouts et StaRRE – a été développé pour évaluer ces stratégies. Une approche de modélisation utilisant la distribution de la vitesse de chute des particules (DVCP) a été proposée pour mieux décrire les phénomènes de décantation et de remise en suspension dans l’ensemble des ouvrages et permettre ainsi une meilleure prédiction de l’évolution de la pollution particulaire lors des événements pluvieux. D’autre part, les études expérimentales ont montré que les capteurs de turbidité installés dans le SIAU sont soumis à des conditions difficiles, menant à des fautes. La perte de performance des stratégies de contrôle basées sur la qualité des eaux en cas de fautes sur le signal du capteur de turbidité a donc été évaluée. Grâce aux méthodes de détection de fautes, un système d’alarme pourrait permettre aux gestionnaires de décider du mode de gestion à adopter ou pourrait initier un basculement automatique en mode de gestion dégradé. Ce mode dégradé est défini par une stratégie de contrôle n’utilisant plus le signal fautif. Les simulations de ces scénarios ont montré la possibilité de maintenir une partie des bénéfices obtenus par les stratégies de contrôle utilisant un capteur parfait. Ces bénéfices sont conservés lorsque la faute est détectée dans un délai raisonnable - dépendant de la dynamique du système.Les résultats de cette étude laissent ainsi présager un fort potentiel d’optimisation des opérations des ouvrages de transport et de traitement des eaux usées et pluviales, particulièrement lorsqu’on considère leur utilisation de manière intégrée, plutôt qu’en tant que systèmes autonomes et distincts. D’autre part, le modèle intégré pourrait être utilisé comme outil d’aide à la décision pour déterminer les modes de gestion (integrée) les plus adaptés. Mots-clefs : contrôle en temps réel (CTR); gestion du temps de pluie ; modélisation intégrée ;système intégré d’assainissement urbain (SIAU); traitement primaire physico-chimique. / Regulation concerning urban wastewater management is evolving towards a holistic approach which leads stakeholders to increasingly consider the integrated urban wastewater system(IUWS), including the sewer system and the water resource recovery facility (WRRF), as a whole. This change of paradigm opens doors to new collaborations between the traditionally separated fields of urban drainage and wastewater treatment operation and research. In this context of innovation and integration, modelling is going to be a key tool, granting a better understanding of the complexity of interactions between the different parts of the IUWS. At the same time, the IUWS has to become more resilient to face the impacts of climate change, the long-term effects of which are difficult to quantify. Still, climate change experts agree on the increasing probability of occurrence of high intensity rain events, reaching the limits of current wastewater infrastructure operational capacities. In order for these infrastructures to continue to provide adequate performance with respect to current norms and regulations, while limiting costs and budgetary needs, flexible solutions, such as implementing real-time control (RTC) systems, should be considered. Especially since recent technological developments bring new and more reliable tools to measure water quality, and also to analyse and manage large quantities of data.This study focuses on the behaviour of the particulate pollution in the IUWS, an important water quality indicator, commonly measured as the total suspended solids (TSS) concentrationand highly correlated with turbidity measurement. As turbidity sensors are readilyavailable with increasing reliability, their operational use can be envisioned. The objective of this thesis is to develop and assess water quality-based control strategies for the IUWS. An integrated - sewer and WRRF - model, using the particle settling velocity distribution (PSVD) approach, has been proposed. This approach improves the description of particle settling and resuspension in the whole system, allowing a better forecast of TSS concentration dynamics, especially during rain events. Based on this integrated model, innovative water quality-based control strategies, aiming at reducing overall discharge of particulate pollutants (and the heavy metals, pathogens, etc. that come with it) to the receiving water during wet weather, have been proposed and successfully tested. Experimental studies demonstrated that turbidity sensors installed in the IUWS are subject to harsh conditions, leading to faulty sensor signals. The performance loss due to the use of water quality-based control strategies affected by a faulty turbidity signal has been evaluatedin detail and this has demonstrated the need for fault detection tools. When a faulty signal is detected, alarms will allow operators to decide which operating mode should be used instead of the one using the now faulty sensor. Alternatively, automatic responses and changes could be implemented to counteract the effects of a faulty signal. This last option, called downgraded operating mode, which implies reverting to a control strategy that does not use the faulty signal, has been simulated and tested. If the fault is detected within reasonable time (which depends on the system dynamics), these simulations have shown that part of the increase of performance gained with the water quality-based strategy using the good signal, can be maintained. The results of this study thus present a strong case for optimizing wastewater infrastructure operations, especially when they are considered as an integrated system, instead of autonomous and mutually exclusive systems. Furthermore, the developed integrated model may be use as a decision support tool to help determine the best possible (integrated) controlstrategy. Keywords : chemically enhanced primary treatment (CEPT); integrated modelling; integratedurban wastewater system (IUWS); real-time control (RTC); stormwater management.

Le problème de planification d'itinéraires dans un environnement dynamique est un problème complexe. Ce problème est d'autant plus difficile que les décisions doivent se prendre dans un temps limité, en se basant sur des informations incertaines et qui évoluent dans le temps. Nous nous sommes intéressés aux méthodes métaheuristiques, et plus particulièrement aux algorithmes génétiques pour résoudre ce problème. Plusieurs approches habituellement proposées pour ce problème sont purement prescriptives et ne garantissent que la convergence vers une solution réalisable au détriment de l'optimalité. De plus, les approches basées sur les algorithmes génétiques souffrent toutes du problème de calibrage des paramètres, une étape importante quand quelqu'un décide de les utiliser. Notre thèse s'inscrit dans le cadre de cette nouvelle direction de recherche et puise sa motivation plus particulièrement dans la volonté de répondre à quelques-unes des problématiques rencontrées dans des applications temps-réel. Nous proposons une approche générique utilisant un processus évolutionnaire à deux niveaux pour régler le problème de calibrage de combinaisons d'opérateurs dans les algorithmes génétiques. Nous avons développé une stratégie d'attente qui exploite des connaissances probabilistes sur les événements futurs afin de produire des solutions robustes et de meilleure qualité en temps réel. De plus, dans le cas des problèmes de transport utilisant des flottes de véhicules (pour la distribution des biens et services), l'approche proposée reflète la réalité de façon plus adéquate en considérant différentes situations observées en pratique comme des temps de voyage variables, et en intégrant des stratégies et mécanismes appropriés pour chacune des situations identifiées. Nous avons présenté une vision plus large du concept de diversion et nous avons introduit une condition d'acceptation d'une diversion dans la planification d'itinéraires en temps réel. Afin de faire face aux pressions temporelles inhérentes à un contexte dynamique, nous avons opté pour des implantations parallèles afin d'accélérer les temps de réponse. Enfin, des tests numériques ont été réalisés à l'aide de simulations utilisant une adaptation des instances de problèmes de Solomon pour le problème de tournées de véhicules avec fenêtres de temps (VRPTW). Dans ce problème, il s'agit d'affecter des requêtes de clients qui arrivent en temps réel à une flotte de véhicules en mouvement. Ce processus implique aussi la construction simultanée d'un ensemble d'itinéraires planifiés qui satisfont la demande, tout en respectant diverses contraintes. Afin de minimiser les biais, le même jeu de données utilisé dans la littérature pour le VRPTW dynamique a été employé pour réaliser notre étude. Les résultats numériques confirment la pertinence des différentes stratégies que nous avons développées et la supériorité de notre approche de planification d'itinéraires en temps réel comparativement à d'autres méthodes proposées dans la littérature.

La simulation des phénomènes électromagnétiques transitoires (EMT) est capitale dans plusieurs spécialisations de l'électrotechnique pour analyser, comprendre et prévoir divers comportements de réseaux électriques ou de dispositifs d'électronique de puissance commutée. Ces simulations sont typiquement réalisées sans contraintes temporelles : la simulation d'un événement peut être plus rapide ou plus lente que l'événement lui-même. Toutefois, dans un contexte de validation de systèmes de contrôle réel, les simulations doivent être effectuées en temps réel afin de soumettre l'équipement réel à des signaux réalistes avec le bon contenu spectral sur la plage fréquentielle requise. Une simulation opérant avec un pas de temps Tₛ est dite en temps réel si elle est en mesure de produire une nouvelle solution complète et d'effectuer tous les services nécessaires (entrées/sorties, acquisition, monitorage, etc.) en un laps de temps de Tₛ, et ce de manière maintenue et périodique. Les besoins de simulation temps réel ne cessent de croître pour étudier l'intégration des différents dispositifs d'électronique de puissance avec système de contrôle et protection qui prolifèrent sur les réseaux électriques et pour évaluer leurs interactions potentielles. Les réseaux à simuler sont de plus en plus vastes parce que ces dispositifs sont de plus en plus distribués spatialement. De plus, les modélisations sont de plus en plus complexes afin de représenter le plus fidèlement possible les phénomènes réels sur des plages de fréquence de plus en plus larges. Il existe donc un besoin criant d'augmenter la capacité de simulation temps réel. Pour y arriver, plusieurs groupes de recherche explorent l'utilisation d'unités de traitement alternatives telles les FPGA et GPU pour complémenter ou remplacer les processeurs standards tandis que d'autres explorent des modélisations et techniques pour augmenter la capacité de simulation des processeurs standards tels les équivalents fréquentiels, la simulation multitaux et la simulation hybride. Toutefois, la majorité de ces efforts vise l'augmentation des capacités en temps différé et non en temps réel. Afin de combler ce décalage, le présent ouvrage vise l'augmentation des capacités de simulation en temps réel des processeurs standards pour les grands et très grands réseaux électriques modernes c'est-à-dire où l'électronique de puissance foisonne et impose des pas de temps de plus en plus faibles. Deux avenues sont explorées : le parallélisme massif et l'augmentation de capacité par l'utilisation de simulation à taux multiples, qui mènera à la simulation hybride. En premier lieu, le parallélisme massif de la simulation temps réel est présenté. La puissance de calcul de superordinateurs n'est pas triviale à canaliser pour la simulation EMT temps réel à cause des difficultés de synchronisation. Une fois maîtrisé, le Superdome Flex de HPE a effectué la simulation en temps réel d'un réseau de 16432 nœuds électriques avec 372 cœurs de calcul opérant avec un pas de temps de 17 µs. Ces travaux sur les plateformes matérielles a également permis de découvrir les excellentes performances temps réel d'ordinateurs personnels ordinaires bas de gamme (RTPC) et très accessibles, ouvrant la voie à une démocratisation de la simulation temps réel. En second lieu, le cadre de simulation multitaux temps réel est présenté ainsi que les améliorations nécessaires à son bon fonctionnement. En simulant avec des taux plus lents que le taux de base EMT, il est possible d'augmenter substantiellement la capacité de calcul d'une plateforme donnée. Des simulations avec des pas de temps habituellement réservés aux FPGA (5 et 10 µs) sont effectuées sur de modestes RTPC En exploitant le cadre de simulation multitaux, il est ensuite montré comment la simulation hybride EMT/stabilité transitoire permet d'augmenter drastiquement (d'un facteur 23 à 10 µs et 1 ms) les capacités de simulation en temps réel d'un cœur de calcul. Toutefois, ce gain se fait au prix d'une perte de l'interaction harmonique entre le système EMT et celui de stabilité transitoire. L'implémentation temps réel de cette simulation hybride en temps réel est facilitée par l'utilisation d'une interface basée sur une modélisation hybride des lignes de transport et d'un protocole d'interaction parallèle, ce qui diffère de la méthode classique des images et des protocoles itératifs sophistiqués. Finalement, ces trois approches sont comparées : selon la situation, l'une de ces approches sera à préconiser selon l'ampleur de la simulation, la plage fréquentielle désirée et la quantité de ressources temps réel disponible. / The simulation of transient electromagnetic (EMT) phenomena is essential in several specializations of electrical engineering to analyze, understand and predict various behaviors of power systems and switched power electronic devices. These simulations are typically performed without time constraint: the simulation of an event can be faster or slower than the real event itself. However, in the context of validating real control systems, simulations must be performed in real-time in order to subject real equipment to realistic signals with the right spectral content over the required frequency range. A simulation operating with a time step Tₛ is said to be in real-time if it is able to produce a complete new solution and perform all the necessary services (inputs/outputs, acquisition, monitoring, etc.) in a period of time of Tₛ in a maintained and periodic manner. The need for real-time simulation continues to grow to study the integration of the various power electronic devices with control and protection systems that proliferate in power systems and to assess their potential interactions. The power systems to be simulated are increasingly vast because the spatial distribution of these devices is increasing. Moreover, model complexity is ever increasing in order to represent as faithfully as possible the real phenomena over increasingly wide frequency ranges. There is therefore a crying need to increase the capacity for real-time simulation. Several research groups are exploring the use of alternative processing units such as FPGAs and GPUs to complement or replace standard processors, while others are exploring models and techniques to increase the simulation capacity of standard processors such as frequency equivalents, multi-rate simulation and hybrid simulation. However, the majority of these efforts are aimed at increasing capacity in offline simulations, not for real time. In order to bridge this gap, this work aims to increase the real-time simulation capabilities of standard processors for large and very large modern power systems, i.e. where power electronics abound and impose smaller and smaller time steps. Two research avenues are explored: massive parallelism and increasing capacity through the use of multi-rate simulation, which will lead to hybrid simulation. First, the massive parallelism of real-time simulation is presented. The computing power of supercomputers is not trivial to harness for real-time EMT simulations because of synchronization difficulties. Once mastered, the HPE Superdome Flex performed real-time simulation of a network of 16,432 power nodes with 372 computer cores operating at a time step of 17 µs. This work on hardware platforms has also made it possible to discover the excellent real-time performance of ordinary low-end, but very accessible, personal computers (RTPC), paving the way for a democratization of real-time simulation. Secondly, the real-time multi-rate simulation framework is presented as well as the improvements necessary for its proper functioning. By simulating with rates slower than the base EMT rate, it is possible to substantially increase the computational capacity of a given platform. Simulations with time steps usually reserved for FPGAs (5 and 10 µs) are carried out on modest RTPCs. By exploiting the multi-rate simulation framework, it is then shown how the EMT / transient stability hybrid simulation can drastically increase (by a factor of 23 with 10 µs and 1 ms) the real-time simulation capacities of a computer core. However, this gain comes at the cost of a loss of the harmonic interaction between the EMT and transient stability systems. The real-time implementation of this real-time hybrid simulation is facilitated by the use of an interface based on hybrid transmission line modeling and a simple parallel interaction protocol, which differs from the classic equivalent image method and sophisticated iterative interaction protocols. Finally, these three approaches are compared: depending on the situation, one of these approaches will be more suited depending on the desired size of the simulation, the desired frequency range and the amount of available real-time resources.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Ces travaux présentent un système interactif de modélisation 3D multirésolution permettant la compression en temps réel de la surface à reconstruire. Les principaux avantages de ce système par rapport à ceux présentés dans le passé sont de pouvoir localement reconstruire la surface à différents niveaux de résolution et de compresser la surface durant l'acquisition des données brutes. Cette utilisation judicieuse de la mémoire rend désormais possible la modélisation d'objets de plus grande taille ou à une résolution plus élevée. Le document est divisé en trois parties. Tout d'abord, nous ferons un retour sur la représentation de surface qui est à la base du système proposé : le champ vectoriel. Nous montrerons tous les avantages d'une telle représentation dans le contexte de la modélisation interactive. Par après, nous aborderons le développement de la représentation multirésolution s'inspirant du champ vectoriel et permettant la compression en temps réel. Nous verrons comment il est possible de faire cohabiter différents niveaux de résolution à l'intérieur d'une même structure de données tout en conservant une représentation cohérente de la surface. Ensuite, nous expliquerons tous les algorithmes nécessaires à la compression en temps réel. La dernière partie de ces travaux aborde la mise au point d'un module de visualisation permettant d'afficher l'état de la surface multirésolution durant l'acquisition des données brutes. L'approche utilisée repose sur une technique de lancer de rayons et offre une grande qualité de rendu tout en conservant l'interactivité du système.

Dans cette thèse nous proposons un cadre formel complet pour l'analyse des systèmes temporisés, avec l'accent mis sur la valeur pratique de l'approche. Nous décrivons des systèmes comme des automates temporisés et nous exprimons les propriétés en logiques temps-réel. Nous considérons deux types d'analyse. Vérification : étant donnés un système et une propriété, vérifier que le système satisfait la propriété. Synthèse de contrôleurs : étant donnés un système et une propriété, restreindre le système pour qu'il satisfasse la propriété. Pour rendre l'approche possible malgré la difficulté théorique des problèmes, nous proposons : Des abstractions pour réduire l'espace d'états concret en un espace abstrait beaucoup plus petit qui, pourtant, préserve toutes les propriétés qui nous intéressent. Des techniques efficaces pour calculer et explorer l'espace d'états abstrait. Nous définissons des bisimulations et simulations faisant abstraction du temps et nous étudions les propriétés qu'elles préservent. Pour les bisimulations, l'analyse consiste à générer d'abord l'espace abstrait, et ensuite l'utiliser pour vérifier des propriétés sur l'espace concret. Pour les simulations, la génération et la vérification se font en même temps (à-la-volée). Un algorithme à-la-volée est aussi développé pour la synthèse de contrôleurs. Pour aider l'utilisateur à sa compréhension du système, nous produisons des séquences diagnostiques concrètes. Nous avons implanté nos méthodes dans Kronos, l'outil d'analyse temps-réel de Verimag, et nous avons traité un nombre d'études de cas réalistes parmi lesquelles le protocole FRP-DT de réservation rapide de débit pour les réseaux ATM (dans le cadre d'une coopération scientifique avec le CNET), le protocole de détection de collisions dans un réseaux à accès multiple de Band&Olufsen, l'ordonnancement de tâches temps-réel périodiques, la cohérence et l'ordonnancement des documents multimédia, ainsi qu'un nombre d'études de cas benchmarks, telles que le protocole d'exclusion mutuelle de Fischer, les protocoles de communication CSMA/CD et FDDI.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la spécification et à la synthèse de contrôleurs des systèmes temps-réels. Les modèles pour ces systèmes sont des Event-recording Automata. Nous supposons que les contrôleurs observent tous les évènements se produisant dans le système et qu'ils peuvent interdirent uniquement des évènements contrôlables. Tous les évènements ne sont pas nécessairement contrôlables. Une première étude est faite sur la logique Event-recording Logic (ERL). Nous proposons des nouveaux algorithmes pour les problèmes de vérification et de satisfaisabilité. Ces algorithmes présentent les similitudes entre les problèmes de décision cité ci-dessus et les problèmes de décision similaires étudiés dans le cadre du $\mu$-calcul. Nos algorithmes corrigent aussi des algorithmes présents dans la littérature. Les similitudes relevées nous permettent de prouver l'équivalence entre les formules de ERL et les formules de ERL en forme normale disjonctive. La logique ERL n'étant pas suffisamment expressive pour décrire certaines propriétés des systèmes, en particulier des propriétés des contrôleurs, nous introduisons une nouvelle logique WT$_\mu$. La logique WT$_\mu$ est une extension temps-réel faible du $\mu$-calcul. Nous proposons des algorithmes pour la vérification des systèmes lorsque les propriétés sont écrites en WT$_\mu$. Nous identifions deux fragments de WT$_\mu$ appelés WT$_\mu$ bien guardé ($WG$-WT$_\mu$) et WT$_\mu$ pour le contrôle ($C$-WT$_\mu$). La logique $WG$-WT$_\mu$ est plus expressif que $C$-WT$_\mu$. Nous proposons un algorithme qui permet de vérifier si une formule de $WG$-WT$_\mu$ possède un modèle (éventuellement déterministe). Cet algorithme nécessite de connaître les ressources (horloges et constante maximale comparée avec les horloges) des modèles. Dans le cadre de $C$-WT$_\mu$ l'algorithme que nous proposons et qui permet de décider si une formule possède un modèle n'a pas besoin de connaître les ressources des modèles. En utilisant $C$-WT$_\mu$ comme langage de spécification des systèmes, nous proposons des algorithmes de décision pour le contrôle centralisé et le $\Delta$-contrôle centralisé. Ces algorithmes permettent aussi de construire des modèles de contr\^oleurs. Lorsque les objectifs de contrôle sont décrits à l'aide des formules de $WG$-WT$_\mu$, nous montrons également comment synthétiser des contrôleurs décentralisés avec des ressources fixées à l'avance et ceci, lorsqu'au plus un contrôleur est non déterministe. / In this dissertation, we consider the specification and the controller synthesis problem for real-time systems. Our models for systems are kinds of Event-recording automata. We assume that controllers observe all the events occurring in the system and can prevent occurrences of controllable events. We study Event-recording Logic (ERL). We propose new algorithms for the model-checking and the satisfiability problems of that logic. Our algorithms are similar to some algorithms proposed for the same problems in the setting of the standard $\mu$-calculus. They also correct earlier proposed algorithms. We define disjunctive normal form formulas and we show that every formula is equivalent to a formula in disjunctive normal form. Unfortunately, ERL is rather weak and can not describe some interesting real-time properties, in particular some important properties for controllers. We define a new logic that we call WT$_\mu$. The logic WT$_\mu$ is a weak real-time extension of the standard $\mu$-calculus. We present an algorithm for the model-checking problem of WT$_\mu$. We consider two fragments of WT$_\mu$ called well guarded WT$_\mu$ ($WG$-WT$_\mu$) and WT$_\mu$ for control ($C$-WT$_\mu$). We show that the satisfiability of $WG$-WT$_\mu$ is decidable if the maximal constants appearing in models are known a priori. Our algorithm allows to check whether a formula of $WG$-WT$_\mu$ has a deterministic model. The algorithm we propose to decide whether a formula of $C$-WT$_\mu$ has a model does not need to know the maximal constant used in models. All the algorithms for the satisfiability checking construct witness models. Using $C$-WT$_\mu$, we present algorithms for a centralised controller synthesis problem and a centralised $\Delta$-controller synthesis problems. The construction of witness controllers is effective. We also consider the decentralised controller synthesis problem with limited resources (the maximal constants used in controllers is known a priory) when the properties are described with $WG$-WT$_\mu$. We show that this problem is decidable and the computation of witness controllers is effective.

Dans cette thèse, nous analysons les réseaux des systèmes temps-réel distribués et plus particulièrement ceux des domaines de l’avionique et de l’automobile. Nous nous sommes focalisés sur deux protocoles : « Avionic Full DupleX Switched Ethernet » (AFDX), « Audio Vidéo Bridging Ethernet » (AVB). Dans ces domaines critiques, le déterminisme du réseau doit être garanti. Il consiste, notamment, en la détermination d’une borne garantie du délai de bout en bout de traversée du réseau pour chaque trame ; et un dimensionnement des files d’attente des trames suffisamment grand pour garantir qu’aucune d’entre elle ne débordera et ainsi, éviter toute perte de trame.Il existe plusieurs méthodes pour l’évaluation des délais et nous avons, principalement, travaillé sur la méthode « Forward end-to-end delay Analysis » (FA). FA avait déjà été définie avec la politique d’ordonnancement « First-In-First-Out » dans le contexte de l’AFDX. Nous sommes repartis de cette approche, nous l’avons reformulé et généralisé à n’importe quel réseau Ethernet commuté. Nous l’avons aussi étendu aux priorités statiques et au protocole AVB et sa politique de service « Credit Based Shaper ». Pour chaque contribution, des démonstrations formelles ont été présentées et une expérimentation incluant une comparaison de FA avec les principales approches d’évaluation sur un exemple industriel. Finalement, nous avons développé et démontré formellement une approche pour le dimensionnement des files d’attente en termes de nombre de trames. Cette approche a été expérimentée également sur une configuration industrielle. / In this thesis, we analyze networks in the context of distributed real-time systems, especially in the fields of avionics, with “Avionics Full DupleX Switched Ethernet” (AFDX), and automobile, with “Audio Video Bridging Ethernet” (AVB). For such applications, network determinism needs to be guaranteed. It involves, in particular, assessing a guaranteed bound on the end-to-end traversal time across the network fr each frame; and dimensioning the buffers in order to avoid any loss of frame because of a buffer overflow.There are several methods for worst-case delay analysis, and we have mainly worked on the “Forward end-to-end Delay Analysis” (FA) method. FA had already been developed for “First-In-First-Out” scheduling policy in the AFDX context, so we generalized it to any Switched Ethernet network. We have also extended it to handle static priorities and the AVB protocol, shaping policy named “Credit Based Shaper” (CBS). Each contribution has been formaly proved and experiments have been led on industrial configurations. For our experimentations, we have compared our results with the results of competing approaches. Finally, we have developed and formally demonstrated an approach for buffer dimensioning in terms of number of frames. This approach has also been tested on an industrial configuration and has produced tight bounds.

Les systèmes embarqués temps réel critiques intègrent des architectures complexes qui évoluent constamment afin d'intégrer des nouvelles fonctionnalités requises par les utilisateurs finaux des systèmes (automobile, avionique, ferroviaire, etc.). Ces nouvelles architectures ont un impact direct sur la variabilité du comportement temporel des systèmes temps réel. Cette variabilité entraîne un sur-approvisionnement important si la conception du système est uniquement basée sur le raisonnement pire cas. Approches probabilistes proposent des solutions basées sur la probabilité d'occurrence des valeurs les plus défavorables afin d'éviter le sur-approvisionnement, tout en satisfaisant les contraintes temps réel. Les principaux objectifs de ce travail sont de proposer des nouvelles techniques d'analyse des systèmes temps réel probabilistes et des moyens de diminuer la complexité de ces analyses, ainsi que de proposer des algorithmes optimaux d'ordonnancement à priorité fixe pour les systèmes avec des temps d'exécution décrits par des variables aléatoires. Les résultats que nous présentons dans ce travail ont été prouvés surs et à utiliser pour les systèmes temps réel durs, qui sont l'objet principal de notre travail. Notre analyse des systèmes avec plusieurs paramètres probabilistes a été démontrée considérablement moins pessimiste que d'autres types d'analyses. Cet analyse combinée avec des algorithmes d'ordonnancement optimaux appropriées pour les systèmes temps réel probabilistes peut aider les concepteurs de systèmes à mieux apprécier la faisabilité d'un système, en particulier de ceux qui sont jugé irréalisable par des analyses/algorithmes d'ordonnancement déterministes / Critical real-time embedded systems integrate complex architectures that evolve constantly in order to provide new functionality required by the end users of the systems (automotive, avionics, railway, etc). These new architectures have a direct impact on the variability of the timing behavior of the real-time system. This variability leads to important over-provisioning if the design of the system is based only on worst case reasoning. Probabilistic approaches propose solutions are based on the probability of occurrence of the worst case values in order to avoid over provisioning while satisfying real-time constraints. The main objectives of this work are new analysis techniques for probabilistic real-time systems and ways of decreasing the complexity of these analyses, as well as to propose optimal fixed priority scheduling algorithms for systems that have variability at the level of execution times. The results that we provide in this work have been proved applicable to hard real-time systems, which are the main focus of our work. Our proposed analysis for systems with multiple probabilistic parameters has been shown to greatly decrease the pessimism introduced by other types of analyses. This type of analysis combined with the proper optimal scheduling algorithms for probabilistic real-time system help the system designers to better appreciate the feasibility of a system, especially of those that are deemed unfeasible by deterministic analyses/scheduling algorithms

Automobile système embarqué est une architecture distribuée de l'ordinateur des applications basées sur. La prolifération des systèmes embarqués dans une automobile a apporté de nombreux avantages,tels que le remplacement du système mécanique ancienne avec capteur électronique en réseau et desactionneurs, par exemple, dans des applications telles suspensions adaptatives. Le remplacement des systèmes mécaniques avec ceux électroniques et l'intégration de nouvelles fonctionnalités dans l'électronique soulève une grave préoccupation, c'est de fournir des garanties que ces systèmes embarqués seront en mesure d'effectuer, même dans des environnements difficiles, en particulier dans un système critique pour la sécurité comme un automobile. De plus, ceux-ci l'actualité informatique applications à la demande, imposée par un processus physique.Par exemple, pour éviter un événement catastrophique comme un accident de la demande de freinage doit répondre aux contraintes de minutage. Ce qui implique que la durée de temps entre l'instance de l'application du frein (à la pédale de frein) et l'instance de l'actionnement au niveau des roues d'un véhicule automobile doit être inférieure à la limite. En outre, l'application de freinage est généralement répartie sur le nombre de nœuds, qui sont embarqués communicants les uns avec les autres en utilisant une ressource de communication partagée. Par conséquent, il est important que nous fournissons des garanties que la demande, individuellement et collectivement, est atteinte de ses contrainte temporelle; qui est dans la composition de plusieurs nœuds embarqués. En outre, la prolifération des applications informatiques est également livré avec une hétérogénéité croissante et la complexité de l'architecture intégrée, ce qui conduira à l'augmentation de la complexité de l'analyse pour les systèmes automobiles.Par conséquent, il ya un besoin croissant d'assurer que ces systèmes automobiles embarqués répondre à des contraintes temporelles et de fournir des garanties de sécurité au cours de leur fonctionnement normal ou lors de situations critiques. Cette thèse vise à développer les analyses d'ordonnançabilité pour systèmes automobiles et les réseaux intégrés, avec le but de faciliter,d'une manière rentable et fiable, la conception et l'analyse des systèmes embarqués automobiles. Les analyses sont élaborées et appliquées dans le contexte de l'automobile; de ​​façon à réduire le risque d'échec en raison de délai: les limites du matériel; frais généraux de mise en œuvre, et les interférences dues à la circulation probaliste / Automotive embedded system is a distributed architecture of computer-based applications. The proliferation of embedded systems in an automobile has brought numerous benefits; such as replacement of old mechanical system with networked electronic sensor and actuators, for example, in applications like adaptive suspensions. The replacement of mechanical systems with electronic onesand the integration of new functionality in electronics raises a serious concern; that is to provide guarantees that these embedded systems will be able to perform, even in harsh environments, particularly in a safety-critical system like an automobile.Moreover, these computer-based applications demand timeliness, imposed by a physical process. For example, to avoid a catastrophic event like a crash the braking application has to meet thetiming-constraints. This implies that the time duration between the instance of application of the brake (at brake pedal) and the instance of actuation at the wheels of an automobile should be less than the deadline. Moreover, the braking application is usually spread over number of embedded nodes, which are communicating with each other using a shared communication resource. Therefore, it is important that we provide some guarantees that an application, individually and collectively, is meeting its timing constraint; that is in the composition of multiple embedded nodes. Moreover, theproliferation of computer-based applications also comes with an increasing heterogeneity and complexity of the embedded architecture; which lead to the increase in the complexity of the analysis for the automotive systems Therefore, there is an increasing need to ensure that these automotive embedded systems meet temporal constraints and provide safety guarantees during their normal operation or during critical situations. This thesis aims at developing the schedulability analyses for automotive systems and embedded networks; with the aim to facilitate, in a cost-effective and reliable manner, the design and analysis of automotive embedded systems. The analyses are developed and applied in the automotive context; so as to reduce the risk of deadline failure due to: hardware limitations ; implementation overheads; and nterference due to probabilistic traffic

On est confrontés au présent avec un système électrique en pleine mutation grâce principalement à l'ouverture des marchés d'énergie électriques, à l'évolution des technologies, à la diminution des ressources disponibles, ainsi qu'aux changements climatiques. Afin de pallier les problèmes engendrés par ces changements, des mesures doivent être prises à tous les niveaux du système électrique : génération, transport et utilisation. Néanmoins, ces mesures ne sont pas toujours compatibles entre elles et, à cause de leur caractère innovant, elles nécessitent des outils d'étude de plus en plus puissants et adaptés aux différents dynamiques mises en jeu et à leur multiplicité. Les travaux présents proposent et analysent l'utilisation d'un simulateur temps-réel hybride (en puissance ou non) afin de faire face à ces besoins complexes.