Dependability

System Engineering

Electronics

Software

Mechanics

Méthodes et outils d’ingénierie de systèmes mécatroniques fiables ….

Hubert KadimaDirecteur de Recherche en informatique EISTI

Journée GdrMACS du 03.05.2010 – SupMéca Paris

Agenda

• 1. Introduction• 2. Panorama d’outils mécatroniques actuels• 3. Survol de méthodes MBSE (Model-Based System

Engineering)• 4. Vérification formelle des systèmes mécatroniques• 5. A titre de conclusion : quelques thèmes de recherche

sur ces aspects.

Dependability

System Engineering

Electronics

Software

Mechanics

1. IntroductionDes processus aux méthodes, outils, méthodologies et standards

d’Ingénierie Systèmes … *

• Un processus est une séquence logique de tâches réalisées pour atteindre un objectif particulier. Un processus définit ici le “QUOI” sans spécifier “COMMENT” la tâche sera réalisée.

• Une méthode comporte les techniques pour réaliser une tâche, le « COMMENT » de chaque tâche. Les termes « méthode », « technique », »pratique » et « procédure » sont interchangeables dans ce contexte.

• Un outil est un instrument qui, appliqué à une méthode particulière permet d’améliorer l’efficacité d’une tâche. Alors, les méthodes comblent le fossé entre processus et outils. L’objectif d’un outil pourrait être de faciliter la réalisation des “COMMENT”.

• Une méthodologie peut être définie comme une collection des processus, méthodes etoutils.

• *Source: James N. Martin, Systems Engineering Guidebook, CRC Press, 1997.

Espace de problèmes et de solutions de l’ingénierie système

Apport de l’ingénierie systèmeUne approche multidisciplinaire de conception de systèmes :

–Centrée sur la satisfaction des besoins de toutes les parties prenantes (marketing, commerciaux, techniques …)

–Permettant d’assurer le meilleurcompromis qualité, coûts, performances, planning, maîtrisedes risques : choix basés sur des critères qualititatifs et quantitatifs

Intégrer toutes les disciplines et corps de métiers dans un effort d’équipe.

Comprendre le problème complet avant de chercher à le résoudre

Traduire le problème en exigencesmesurables

Itérativement décomposer le problèmecomplexe en problèmes plus simples pouvant être alloués à une seule discipline.

Examineer et modéliser toutes les alternatives faisables avant de sélectionner une solution.

Préparer l’intégration et la validation aussi tôt que possible dans le cycle de de conception.

Justifier et documenter tous les éléments de la conception …

Problèmes engendrés par l’ingénierie mécatronique ….• Discontinuité dans le

processus technique d’ingénierie

• Diversité d’outils et des modèles

• Maintien de la cohérence des modèles et raffinement …

• Automatisation des transformations ..

• Cosimulation multiphysique

• Nécessité d’une approche collaborative et participative de tous les corps de métier dans la

Vers une plateforme intégrée d’ingénierie système permettant l’exécution du processus technique d’ingénierie système

conformément aux standards, normes et bonnes pratiques …

Conformité au standard ISO 15 288 : Systems engineering – System life cycle processes

Cette norme étend les processustechniques à tout le cycle de vie du système (elle couvre ainsi les processus d’exploitation,de maintien en condition opérationnelle et de retrait de service).

La norme s’applique à l’ingénieriedes systèmes contributeurs qui ont leur propre cycle devie (systèmes de fabrication, de déploiement, de soutienlogistique, de retrait de service)

2. Panorama d’outils mécatroniques actuels

• 2.1. Quelques activités techniques d’ingénierie mécatronique

• 2.2. Quelques outils remarquables ..• 2.3. Intégration/Interopérabilité entre outils

Exemples des activités techniques en mécatronique ..

• – Modélisation Systèmes Multi-domaines( mécanique, électronique, informatique, automatique)

• – Modélisation dynamique 3D multi-corps (rigide et élastique)• – Modélisation multi-physique par éléments finis:

(thermodynamique, fluidique, CEM, vibro-acoustique)• – Intégration 3D : mécanique, électrique, électronique • – Instrumentation, conditionnement et traitement du signal• – Sûreté de fonctionnement• – Algorithmes de commande avancée, capteurs logiciels et

diagnostic en ligne• – Prototypage rapide (cibles DSP multi-coeurs, FPGA), HIL …• – Optimisation énergétique et éco-conception etc …

Une diversité d’outils pour diverses activités techniques …

Analyse & identifythe environment

Explore & chooseOperational concepts

Formalize problem &Validate requirements

Build Functional &Physical Architecture

Design componentsfeatures

Prototype & autocodesoftware

Estimate performances& dependability

Capitalize & ShareKnow-how

Different types of Models

AMESIMMatlab/Simulink

Catia

PSpiceFluent 3D

Flux 2D / 3D

SimulinkRTW/EC

SysML

SysML

Matlab/Simulink

Outils de gestion des exigences et de modélisation/Spécification

Produits Fonctions/Editeurs

DOORSEditeur Telelogic

Gestion des exigences

REQTIFYEditeur TNI

Gestion des exigences

Artisan Studio Modélisation/Spécification

Rapsody Modélisation/Spécification

Atelier B Modélisation/SpécificationL’Atelier B est un environnement de développement se basant sur le langage B et qui permet de spécifier, de raffiner et d’implanter une application. La vérification de l’application est réalisée au travers de la mise en place d’une phase de preuve de lemmes mathématiques.

Outils simulation/vérification …MatLab/Simulink Simulation/vérification

Utilisable dans tous domaines et systèmesModélisation et design des systèmes physiques compris.

StateMate Validation de spécifications et prototypage rapide via la modélisation comportementale et fonctionnelle exécutable

AMESim Simulation

ScadeEditeur Esterel Technologies

Scade est un environnement de développement d’applications embarquées critiques soumises à des fortes contraintes de certification (DO-178B Level A ou IEC 61508 SIL3/SIL4). Scade est basé sur les modèles synchrones qui sont des langages spécialisés conçus pour la programmation sûre de systèmes réactifs et temps réel.

Scilab/Scicos Modélisation et simulation de systèmes dynamiques hybrides

Architectures/Cosimulation

Syndex Modélisation de fonctionnalités, d’architectures distribuées embarquées et d’implantation distribuée sous contraintes temporelles

Dymola/Modelica Dymola (Dynamic Modeling Laboratory)est unenvironnementcomplet, basé sur le langage Modelica, pour la modélisation et la simulation des systèmes complexes intégrés dans différents domaines.

Cosimate Un environnement de co-simulation qui permet à plusieurs simulateurs (Simulink, Saber, AMESim, Statemate...) de communiquer entre eux par le biais d'une architecture de bus de co-simulation .

Prototypage/Simulation HILDSPACE Simulation HIL / Prototypage

SolidWorks Conception mécanique – simulation

NASTRAN FEMAP Conception – simulation par éléments finis

SynDExINRIA

Modélisation de fonctionnalités, d’architectures distribuées embarquées et d’implantation distribuée sous contraintes temporellesGénération pseudo-code indépendant de la cible

USER

Repository

CustomerNeeds

UserRequirements

SYSTEMPRODUCT

ArchitectureTools

Architecture Breakdown

COMPONENTDISCIPLINE

Refined requirementsDesign/Validation Elements

DevelopmentTools

ComponentRequirements

REQTIFY

Traceabilityresults

Operational

Functional

Physical

Exemple d’intégration d’outils dans le cycle de vie d’un processus d’ingénierie système

Nécessité d’un environnement intégré d’outils de conception mécatroniqueSystemVision fournit un environnement d’intégration d’outils de conception, modélisation, analyse

autour du noyau d’un moteur de simulation …

3. Survol de méthodes MBSE (Model-Based System Engineering)

• 3.1. Bénéfices du MBSE• 3.2. Principales méthodologies MBSE actuelles

• Modéliser les besoins avant de penser à la solution ….

Bénéfices du MBSE…• Amélioration de la qualité

– Identification au plus tôt des problèmes en partant des exigences

– Amélioration de la spécification avec la possibilité d’allouer les exigencesaux composants matériels et logiciels

– Traçabilité des exigences plus rigoureuses

• Amélioration de la productivité – Amélioration de l’analyse de l’impact

lors du changement des exigences– Réutilisation des modèles existants

pour supporter l’évolution de la technologie/conception

– Auto-génération de la documentation• Réduction de risques

– Réduction des coûts de conception– Validation/Vérification au plus tôt

des exigences

3.2. Principales méthodologies d’IS actuelles …

• IBM Telelogic Harmony-SE• Harmony-SE : un sous-ensemble d’un processus plus large de développement

intégré logiciel/systèmes connu sous le nom de Harmony.• INCOSE Object-Oriented Systems Engineering Method (OOSEM)• Intègre une approche top-down basée modèle utilisant OMG SysML™ pour

effectuer la spécification, l’analyse, la conception et la vérification de systèmes. (Systems and Software Consortium en collaboration avec Lockheed Martin Corporation)

• IBM Rational Unified Process for Systems Engineering (RUP SE) for Model-Driven Systems Development (MDSD). RUP est une méthodologie et un méta-processus (IBM Rational) couramment utilisé en entreprises pour gérer les projetslogiciels.

• Vitech Model-Based System Engineering (MBSE) Methodology• JPL State Analysis (SA)• Dori Object-Process Methodology (OPM)

Quelques éléments du process Harmony-SE basé SysML

INCOSE MBSE Roadmap

2010 2020 2025

Mat

uri

ty

MBSE Capability

Ad Hoc MBSEDocument Centric

2010

Well Defined MBSE

InstitutionalizedMBSE across Academia/Industry

Reduced cycle times Design optimization across broad trade spaceCross domain effects based analysis

System of systemsinteroperability

June 15, 2008

Distributed & secure model repositoriescrossing multiple domains

Defined MBSE theory, ontology, and formalisms

Emerging MBSE standards

Matured MBSE methods and metrics,Integrated System/HW/SW models

Architecture model integrated with Simulation, Analysis, and Visualization

•Planning & Support•Research•Standards Development•Processes, Practices, & Methods•Tools & Technology Enhancements•Outreach, Training & Education

Refer to activities inthe following areas:

4. Vérification formelle de systèmes mécatroniques …

• 4.1. Problématique• 4.2. Approche par model-checking• 4.3. Vérification formelle des systèmes hybrides• 4.4. Invariance des propriétés de systèmes à travers les

relations de composition et de raffinement …• 4.5. Vers un environnement intégré d’outils PBSE (Proof-

Based System Engineering)

Vérification : Le système satisfait-il les propriétésattendues

• Comment fonctionne le système au point de vue opérationnel ? Architecture, Communication, Comportements, Caractéristiques temporelles, ...

• Quelles propriétés le système doit-il respecter?• Sûreté, Vivacité, Respect des contraintes temporelles,

• De nombreuses méthodes existent actuellement pour effectuer ces vérifications en se basant sur les méthodes formelles et surtout l’approche par model-checking …

• Analyse des propriétés • Classes de Propriétés• - Générales : blocage, borné, invariants, quasi-vivacité, ...• - Spécifiques: Logiques temporelles (linéaires, arborescentes)• Explosion Combinatoire / Espace d'états infinis• Abstractions : Représentation finie préservant certaines classes de propriétés (Prop Générales, Logiques temporelles,

Bisimulation)• - Abstraction d'espaces d'états Atemporels (Ordres Partiels)• - Abstractions finies d'espaces d'états temporels (Classes d'états)

La vérification à tous les étages !! Exemple de mise en œuvre dans l’automobile avec la méthodologie

MeMVaTex ….

Différents types de vérification …

• - Vérification visuelle (affichage du graphe d'états)

• - Vérification par équivalence de comportement : Bisimulation

• - Evaluation de formule de logique temporelle (mu-calcul) : Evaluation

• � Techniques de résolution de la problématique d’explosion combinatoire

• - Vérification à la volée (sur le graphe d'états implicite)

• - Vérification compositionnelle• - Vérification distribuée sur des

grappes d'ordinateurs

Un système mécatronique en tant que système hybride …

• Un système hybride est un système qui nécessite dans sa description la prise en compte de sa dynamique continue et de sa dynamique discrète. La dynamique continue est représentée par des variables continues, la dynamique discrète représente les changements d’états dus à l’occurrence d’événements.

• Ces modèles peuvent êtres classés selon deux approches : une approche intégrée qui intègre, au sein d’un même formalisme, les aspects continus et discrets ; une approche séparée qui sépare ces deux aspects en faisant coopérer deux modèles différents.

• L’assistance d’outil de preuve dans la preuve formelle d’un tel système nécessite la formalisation complète du problème de vérification. La description de l’algorithme, les hypothèses sur son environnement,et les propriétés attendues doivent être exprimées dans un langage ayant une syntaxe et une sémantique formelles, s’appuyant sur un cadre logique bien défini.

Représentation formelle des modèles hybrides

• L’approche intégrée englobe des modèles issus de l’extension de modèles continus comme les Bond Graphes à commutation et ceux issus de l’extension de modèles à événements discrets comme les réseaux de Petri hybrides.

• L’approche séparée regroupe les modèles à base d’Automates hybrides, de Statecharts hybrides,de réseaux de Petri mixtes ou de réseaux de PetriPrédicats-Transitions-Différentiels (RdP PTD) etc….

Composition

• Mise en parallèle d'instances des composantsde base

• � Définition de connexions entre les ports des composants

Relation de raffinement …• Formellement, nous pouvons exprimer le raffinement comme une relation

notée ► reliant deux différents modèles, le premier est le modèle abstrait, le second est le modèle raffiné :

• ModèleAbstrait ► ModèleRaffiné• En effet, un modèle concret est un modèle abstrait raffiné en plusieurs étapes :• ModèleAbstrait ► ModèleConcret• Il peut être considéré comme un autre modèle architectural adéquat à

l’implémentation.• La relation de raffinement peut être définie selon deux points de vue :• o l’un externe où le raffinement relie seulement les comportements

observables et les ports des éléments architecturaux (par des connexions libres),

• o l’autre interne où le raffinement relie les comportements sans restriction àl’observabilité c’est-à-dire que les connexions restreintes sont également observables.

Raffinement des éléments architecturaux

• Raffinement vertical/Raffinement horizontal• Une relation de raffinement d’un point de vue

externe ou interne s’établit sous l’une des quatre formes suivantes :

• o raffinement du comportement,• o raffinement de l’interface,• o raffinement de la structure,• o raffinement des données.

5. Conclusions : Constats …..

• Manque actuel de méthodologie de conception pour les systèmes multi-domaines/multiphysiques couvrant selon un continuum, la capture des exigences jusqu’à la définition numérique exhaustive du prototype virtuel (pas de rupture numérique, traçabilité des choix…).

• Manque de passerelles pour assurer ce continuum entre les différents outils de conception utilisés.

• Manque actuel d’outils pour l’analyse et la simulation/cosimulationmulti-physique avec couplage fort de champs, tel que la superposition d’un champ thermique, d’un champ de contraintes mécaniques et d’un champ électromagnétique au sein d’un composant compact.

Quelques axes de travaux de recherche ..

• - Aspects théoriques et mise en œuvre pratique des modèles (qualitatifs et/ou quantitatifs) pour la spécification de

• comportement et/ou des propriétés de systèmes mécatroniques considérés comme systèmes hybrides : automates hybrides, réseaux de Petri, équations différentielles algébriques, logique temporelle, logique temporelle probabilisée et/ou temporisée, ...

• - Aspects méthodologiques : composition, raffinement, orientation• objet, approches multi-modèles, tissage des aspects ...• - Analyse : vérification formelle, raffinement, évaluation

(performances, sûreté de fonctionnement), test...

Amélioration des processus IS existants

• Définir un processus itératif et incrémental, multivues prenant en considération les cycles, les phases, les enchaînements d’activités, la réduction des risques, le contrôle qualité, la gestion de projet et la gestion de configuration.

• Les caractéristiques essentielles de ce processus peuvent être les suivantes :• La conformité au processus d’ingénierie système ISO 15288.• La traçabilité des exigences tout le long du cycle de développement.• L’extension par annotation des modèles SysML avec les propriétés non fonctionnelles

(performances, fiabilité, disponibilité ...).• La possibilité d’intégration de plusieurs langages et outils ; la construction des passerelles à

partir des modèles pivots SysML devrait être envisagée. • La mise en œuvre de l’approche MDA (Model-Driven Architecture) pour la transformation

des modèles et la construction des passerelles entre outils.• La vérification formelle des propriétés du système dans toutes les phases de conception • La vérification assistée de la cohérence entre les modèles SysML reflétant diverses vues de

l’architecture.

SysML en tant que plateforme d’intégration basée modèles

Intégration ontologique de modèles …

Producer Tools

Eagle

MentorGraphics

ElectricalCAD Tools

AP210

DOORS E+,

MagicDraw, ...

Systems EngineeringTools

NX

CATIA

MechanicalCAD Tools

…

AP203, AP214 AP233, SysML

Federated System ModelMeta-Building Blocks: • Information models & meta-models

• International standards• Industry specs• Corporate standards• Local customizations

• Modeling technologies:• Express, UML, SysML,

COBs, OWL, XML, …

Standards-based Submodels

Quelques références bibliographiques (1)

• [1] Friedenthal, Sanford, Moore, Alan, and Rick Steiner, Practical Guide to SysML: Systems Modeling Language, Morgan Kaufmann Publishers, Inc.: San Francisco, CA, 2008.

• [2] “Object-Oriented Systems Engineering Method (OOSEM) Tutorial,” Ver. 02.42.00, Lockheed Martin Corporation and INCOSE OOSEM Working Group, Apr. 2006.

• [3] Kruchten, Philippe, The Rational Unified Process: An Introduction, ThirdEdition, Addison-Wesley Professional: Reading, MA, 2003.

• [4] Long, James E., “Systems Engineering (SE) 101,” CORE®: Product & Process Engineering Solutions, Vitech training materials, Vitech Corporation, Vienna, VA, 2000.

• [5] “Vitech Announces Participation in INCOSE’s 17th Annual International Symposium, Delivering Five Key Systems Engineering Presentations, Papers and Panels,” Vitech News Release, Vitech Corporation, Vienna, VA, Feb. 23, 2007.Dori, Dov, Object-Process Methodology: A Holistic Systems Paradigm, Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, Germany, 2002.

Références bibliographiques (2)

• [6] E. Technologies. Efficient development of safe avionics software with do-178b objectives using scade suite. Technical report, Esterel Technologies, 2006.

• [7] E. Technologies. Simulink gateway guidelines. Technical report, EsterelTechnologies, 2006.

• [8] S. Khalfaoui, E.Guilhem, H. Demmou, R. Valette, « Modeling critical mechatronic systems with Petri Nets and feared scenarios derivation », ECM2S5 5th Workshop on Electronics, Control, Modeling, Measurement and Signals, 30-31 May, 1er Juin, 2001, Toulouse, France p. 55-59.

Références bibliographiques (3)

• INCOSE SE HandBook Version 3• http://www.incose.org/REGAL• http://www.omg.org/mda/• http://www.uml.org/• http://www.omgsysml.org/• http://www.VentureLab.gatech.edu-based start-up: tools for

executable SysML parametrics