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Running a reliability analysis on engineering problems involving complex numerical models can be computationally very expensive, requiring advanced simulation methods to reduce the overall numerical cost. Gaussian process based active learning approaches for reliability analysis are thus a way to strongly decrease the computational time by reducing the number of calls to the expensive numerical model while maintaining a sufficiently accurate estimation of the probability of failure. They involve a learning phase that consists in building a Gaussian process approximation of the performance function. Then, the failure probability estimation can typically be obtained by a classification of a sample population evaluated on the final surrogate model. Hence, two sources of uncertainty that are impacting the failure probability estimator can be identified: the metamodel approximation and the sampling variability. In this PhD thesis project, we propose a methodology to quantify the sensitivity of the failure probability estimator to these two uncertainty sources. This analysis is then integrated into an active learning algorithm in order to focus the enrichment on the reduction of the major source of uncertainty. It also allows to quantify and control the global error associated to the probability estimation and thus to define a stopping criterion for the algorithm. This approach is extended to tackle rare events probability estimation problems. Another way to reduce the numerical cost of reliability analyses that is studied in this thesis is related to model order reduction techniques. We propose a coupling between active learning approaches and model order reduction. More precisely, we set an adaptive methodology that allows to choose, on the basis of a coupling criterion, if a reduced solution can be used instead of the whole numerical model to evaluate the performance function.; Les analyses de fiabilité sur des problèmes d'ingénierie complexes impliquent souvent des temps de calcul très élevés et requièrent l'utilisation de méthodes numériques avancées.L'estimation de la probabilité de défaillance par des approches d'apprentissage actif de processus gaussiens est une voie possible pour fortement réduire les temps de calcul. Elles consistent en le classement d'une population d'échantillons à partir du modèle de processus gaussien construit. Ainsi, deux sources d'incertitude ont une influence sur l'estimateur de la probabilité de défaillance : l'approximation par métamodèle et la variabilité de l'échantillonnage. Dans ces travaux de thèse, nous proposons une méthodologie pour quantifier la sensibilité de l'estimateur de la probabilité de défaillance à ces deux sources d'incertitude. Une méthodologie focalisant l'enrichissement sur la réduction de la source majeure d'incertitude ainsi qu'un critère d'arrêt basé sur l'erreur globale sont proposés. L'approche est étendue pour l'estimation d'évènements rares.Une autre voie étudiée concerne la réduction du coût numérique unitaire d'évaluation des points d'apprentissage. Ainsi, nous proposons un couplage entre les approches d'apprentissage actif et la réduction de modèle de type base réduite. Une méthodologie adaptative permettant de choisir, par le biais d'un critère de couplage, si une solution réduite peut être utilisée à la place du modèle numérique complexe est proposée.

When developing a complex system, data models are the key to a successful engineering process because they contain and organize all the information manipulated by the different functions involved in system design. The fact that the data models evolve throughout the design raises problems of maintenance of the data already produced. Our work addresses the issue of evolving data models in a model-driven engineering environment (IDM). We focus on minimizing the impact of the evolution of the data model on the system development process in the specific area of space engineering.In the space industry, model-driven engineering (MDI) is a key area for modeling data exchange with satellites. When preparing a space mission, the associated data models are often updated and must be compared from one version to another. Thus, because of the growth of the changes, it becomes difficult to follow them. New methods and techniques to understand and represent the differences and commonalities between different versions of the model are essential. Recent research deals with the evolution process between the two architectural layers (M2 / M1) of the IDM.In this thesis, we have explored the use of the (M1 / M0) layers of the same architecture to define a set of complex operators and their composition that encapsulate both the evolution of the data model and the data migration. The use of these operators improves the quality of results when migrating data, ensuring the complete preservation of the information contained in the data.In the first part of this thesis, we focused on how to deal with structural differences during the evolution process. The proposed approach is based on the detection of differences and the construction of evolution operators. Then, we studied the performance of the model-based approach on two space missions, named PHARAO and MICROSCOPE. Then, we presented a semantic observational approach to deal with the evolution of data models at M1 level. The main interest of the proposed approach is the transposition of the problem of accessibility of the information in a data model, into a problem of path in a labeled directed graph. The approach proved to be able to capture all the evolutions of a data model in a logical operator list instead of a non-exhaustive list of evolution operators. It is generic because, regardless of the type of input data model, if the data model is correctly interpreted to labelled directed graph (LDG) and then project it into a set of labelled transition systems (LTS), we can check the conservation of the information.; Lors du développement d’un système complexe, les modèles de données sont la clé d’un processus d’ingénierie réussi : ils contiennent et organisent toutes les informations manipulées par les différentes fonctions impliquées dans la conception du système. Le fait que les modèles de données évoluent tout au long de la conception soulève des problèmes de maintenance des données existantes, ce qui amène à comparer leurs versions successives. En raison de la croissance des changements en termes de type et de nombre, il devient difficile de suivre les différences qui résultent de cette comparaison. De nouvelles méthodes et techniques pour comprendre et représenter les différences et les points communs entre les différentes versions du modèle sont indispensables.Dans cette thèse, nous avons exploré la définition d’opérateurs d’évolution et leur composition, qui encapsulent à la fois l’évolution du modèle de données et la migration des données. L’utilisation de ces opérateurs améliore la qualité des résultats lors de la migration des données, tout en assurant au maximum la conservation de l’information contenue dans les données. Ensuite, nous avons présenté une approche observationnelle. L’intérêt principal de cette approche est la transposition du problème d’accessibilité de l’information dans un modèle de données en un problème de chemin dans un système de transition d'états étiqueté.

The ever-increasing use of drones and their integration within the existing air trafic demand a certain number of guarantees of safety and functional proofs. The flight safety is directly impacted by the precision and reliability of the localisation which is achieved most of the time by a multi-sensor fusion, itself provided by a state estimating filter. The work of this thesis focuses on the problem of fault tolerant navigation and sensor fault in the nonredundant sensor case. The main objective is to propose methods and architectures for attitude and position estimation providing a correct estimation, but also improving its consistency and integrity, even in the case of long lasting sensor perturbations.A first line of work concerns the estimation and rejection of multiple and frequent biases on a position sensor, which is often the case for a GNSS receiver (multi-path errors), or a visual sensor (tracking errors). An architecture for bias detection and correction of the estimated position has been developed to this end, to complement standard methods based on the GLR. A second line of work has been to propose an attitude estimation architecture robust to magnetic disturbances and specific accelerations. It is divided into three principal blocks :(1) Sensor performance models allowing the estimation of sensor outputs cleaned as well as possible from perturbations ;(2) A measurement consolidation stage utilises statistical tests to select the signals to fuse between the raw measurements and the cleaned ones, or simply reject the signalsin case the consolidation fails ;(3) An attitude estimator based on a Kalman filter merges the consolidated measurements, with decoupling properties to mitigate the effect of residual perturbations, and a saturated bias model. The algorithms for position and attitude estimation have been validated in simulation and separately during various experimental test campaigns., L'utilisation croissante des drones et leur intégration dans le trafic aérien nécessite de fournir un certain nombre de garanties de sûreté et de preuves de fonctionnement. La sécurité du vol est directement tributaire de la précision et de la fiabilité de la localisation qui est généralement obtenue par une fusion multi-capteurs, réalisée à l'aide d'un filtre estimateur.Ce travail de thèse s'intéresse au problème de la navigation tolérante aux défauts et aux pannes capteurs dans le cas de capteurs non redondés. L'objectif principal est de proposer des méthodeset des architectures d'estimations de l'attitude et de la position qui permettent de préserver la justesse de l'estimation, mais aussi d'améliorer sa consistance et son intégrité, même en cas de perturbations prolongées des capteurs. Un premier axe de travail concerne l'estimation et le rejet de biais multiples et fréquents sur un capteur de position, comme peut y être soumis un récepteur GNSS (multi-trajets), ou un capteur visuel (erreur de poursuite). Une architecture de détection et de correction de l'estimation de position a été développée pour cela et vient compléter les méthodes existantes basées sur le GLR. Un second axe de travail a été de proposer une architecture d'estimation de l'attitude qui soit robuste aux perturbations magnétiques et aux accélérations spécifiques. Elle comporte principalement trois briques :(1) Des modèles de performance permettent d'estimer les sorties capteurs nettoyées au mieux des perturbations ;(2) Une étape de consolidation de mesures utilise des tests statistiques pour sélectionner les signaux à fusionner entre les mesures brutes ou nettoyées, ou simplement rejeter les signaux dans les cas où la consolidation échoue ;(3) Un estimateur d'attitude basé sur un filtre de Kalman fusionne les mesures consolidées, avec des propriétés de découplage vis-à-vis des perturbations résiduelles, ainsi qu'un modèle de biais saturé.Les algorithmes d'estimation de position et attitude ont été validés en simulationet séparément lors de diverses campagnes d'essais expérimentales.

The ever-increasing use of drones and their integration within the existing air trafic demand a certain number of guarantees of safety and functional proofs. The flight safety is directly impacted by the precision and reliability of the localisation which is achieved most of the time by a multi-sensor fusion, itself provided by a state estimating filter. The work of this thesis focuses on the problem of fault tolerant navigation and sensor fault in the nonredundant sensor case. The main objective is to propose methods and architectures for attitude and position estimation providing a correct estimation, but also improving its consistency and integrity, even in the case of long lasting sensor perturbations.A first line of work concerns the estimation and rejection of multiple and frequent biases on a position sensor, which is often the case for a GNSS receiver (multi-path errors), or a visual sensor (tracking errors). An architecture for bias detection and correction of the estimated position has been developed to this end, to complement standard methods based on the GLR. A second line of work has been to propose an attitude estimation architecture robust to magnetic disturbances and specific accelerations. It is divided into three principal blocks :(1) Sensor performance models allowing the estimation of sensor outputs cleaned as well as possible from perturbations ;(2) A measurement consolidation stage utilises statistical tests to select the signals to fuse between the raw measurements and the cleaned ones, or simply reject the signalsin case the consolidation fails ;(3) An attitude estimator based on a Kalman filter merges the consolidated measurements, with decoupling properties to mitigate the effect of residual perturbations, and a saturated bias model. The algorithms for position and attitude estimation have been validated in simulation and separately during various experimental test campaigns.; L'utilisation croissante des drones et leur intégration dans le trafic aérien nécessite de fournir un certain nombre de garanties de sûreté et de preuves de fonctionnement. La sécurité du vol est directement tributaire de la précision et de la fiabilité de la localisation qui est généralement obtenue par une fusion multi-capteurs, réalisée à l'aide d'un filtre estimateur.Ce travail de thèse s'intéresse au problème de la navigation tolérante aux défauts et aux pannes capteurs dans le cas de capteurs non redondés. L'objectif principal est de proposer des méthodeset des architectures d'estimations de l'attitude et de la position qui permettent de préserver la justesse de l'estimation, mais aussi d'améliorer sa consistance et son intégrité, même en cas de perturbations prolongées des capteurs. Un premier axe de travail concerne l'estimation et le rejet de biais multiples et fréquents sur un capteur de position, comme peut y être soumis un récepteur GNSS (multi-trajets), ou un capteur visuel (erreur de poursuite). Une architecture de détection et de correction de l'estimation de position a été développée pour cela et vient compléter les méthodes existantes basées sur le GLR. Un second axe de travail a été de proposer une architecture d'estimation de l'attitude qui soit robuste aux perturbations magnétiques et aux accélérations spécifiques. Elle comporte principalement trois briques :(1) Des modèles de performance permettent d'estimer les sorties capteurs nettoyées au mieux des perturbations ;(2) Une étape de consolidation de mesures utilise des tests statistiques pour sélectionner les signaux à fusionner entre les mesures brutes ou nettoyées, ou simplement rejeter les signaux dans les cas où la consolidation échoue ;(3) Un estimateur d'attitude basé sur un filtre de Kalman fusionne les mesures consolidées, avec des propriétés de découplage vis-à-vis des perturbations résiduelles, ainsi qu'un modèle de biais saturé.Les algorithmes d'estimation de position et attitude ont été validés en simulationet séparément lors de diverses campagnes d'essais expérimentales.

The rotor wake of a rotorcraft is difficult to model, and shows significant importance for the flight dynamics of the aircraft, vibration, acoustics,... Numerous models exist, but the most successful ones for the application to flight mechanics are the finite states models of Peters et al. They allow to tailor the computational cost and fidelity of the model to each application.This thesis explores their development and underlines some shortcomings. A few improvements are suggested, but it appears that a more drastic change is required to intrinsically account for some phenomena. Therefore a new method is proposed to develop a more general and homogeneous model, no longer relying on constraining assumptions. This model is however not deprived of flaws. They are therefore treated in order to improve the presented model.The new model shows great results when a large number of states are used, and the impact of a less precise but faster approximation are underlined.; Le sillage d’un rotor est difficile à modéliser, et a un impact significatif pour la dynamique du vol des voilures tournantes, leurs vibrations, leurs propriétés acoustiques... De nombreux modèles existent, mais le plus utilisé pour l’application à la mécanique du vol est le modèle à états finis développé par Peters et al. Ce type de modèle permet d’ajuster le prix en temps de calcul et la fidélité de leurs résultats à chaque application.Cette thèse explore le développement de ces modèles et en souligne quelques défauts. Des améliorations sont suggérées mais il semble nécessaire d’appliquer des changements plus drastiques pour dépasser certaines limites. Ainsi, une nouvelle méthode est développée dans un cadre plus générale et homogène, qui ne repose plus sur des hypothèses contraignantes. Cependant ce nouveau modèle n’est pas sans défauts. Ils sont donc analysés et traités afin d’améliorer le modèle.Le nouveau modèle livre donc de bons résultats dans le cas d’un grand nombre d’éléments utilisés, et l’impact d’une approximation plus rapide mais moins précise est souligné.

The rotor wake of a rotorcraft is difficult to model, and shows significant importance for the flight dynamics of the aircraft, vibration, acoustics,... Numerous models exist, but the most successful ones for the application to flight mechanics are the finite states models of Peters et al. They allow to tailor the computational cost and fidelity of the model to each application.This thesis explores their development and underlines some shortcomings. A few improvements are suggested, but it appears that a more drastic change is required to intrinsically account for some phenomena. Therefore a new method is proposed to develop a more general and homogeneous model, no longer relying on constraining assumptions. This model is however not deprived of flaws. They are therefore treated in order to improve the presented model.The new model shows great results when a large number of states are used, and the impact of a less precise but faster approximation are underlined., Le sillage d’un rotor est difficile à modéliser, et a un impact significatif pour la dynamique du vol des voilures tournantes, leurs vibrations, leurs propriétés acoustiques... De nombreux modèles existent, mais le plus utilisé pour l’application à la mécanique du vol est le modèle à états finis développé par Peters et al. Ce type de modèle permet d’ajuster le prix en temps de calcul et la fidélité de leurs résultats à chaque application.Cette thèse explore le développement de ces modèles et en souligne quelques défauts. Des améliorations sont suggérées mais il semble nécessaire d’appliquer des changements plus drastiques pour dépasser certaines limites. Ainsi, une nouvelle méthode est développée dans un cadre plus générale et homogène, qui ne repose plus sur des hypothèses contraignantes. Cependant ce nouveau modèle n’est pas sans défauts. Ils sont donc analysés et traités afin d’améliorer le modèle.Le nouveau modèle livre donc de bons résultats dans le cas d’un grand nombre d’éléments utilisés, et l’impact d’une approximation plus rapide mais moins précise est souligné.

The objective of this thesis is to perform schedulability analysis of probabilistic real-time systems. The task execution is described using a probabilistic Worst Case Execution Time (pWCET) which is a probability distribution. The pWCETs are assumed given. The tasks are scheduled to ensure that all tasks are allowed a processor time. In order to ensure that all tasks are scheduled, schedulability analysis is performed. Because task execution is described probabilistically, the schedulability analysis must also be probabilistic. This implies a probabilistic modelling of the system to probabilistically ensure that all tasks are scheduled.Assuming continuous pWCET distribution, a formal approach towards the probabilistic analysis of the system through Continuous Time Markov Chain (CTMCh) uses CTMCh to model jobs of the tasks which are scheduled using Earliest Deadline First or Fixed Priority scheduling algorithm. Differences between continuous and discrete pWCET distributions are highlighted with the advantages and disadvantages of each.Searching for reducing pessimism through real-time systems by using a Discrete Time Markov Chain (DTMCh) model for a Mixed Criticality (MC) probabilistic Real-Time System (pRTS) allows to quantify the probability of the system entering high criticality. Moreover that pessimism can be further reduced in a probabilistic environment by letting go of the classical schedulability algorithms.A schedule which is safe and ensures schedulability of high criticality jobs is obtained using the graph based exploratory model for MC pRTS developed in this thesis. At the same time, the low criticality jobs are scheduled whenever possible. This approach drops the classical idea of suspending all low criticality jobs when a high criticality job enters high criticality mode. Here, probabilities can only be quantified because they arrive from pWCET and pWCET does not depend on the schedule.Tasks enter high criticality at runtime implying that response time, and not execution time, must be used to decide criticality modes. Since the response time is affected by the schedule, this schedule can be optimized with respect to a probability criterion. Usability and hidden assumptions are presented for the classical convolution operation between pWCET distributions in the context of real-time systems. It leads to a MC schedule with minimal probability of system entering high criticality. At the same time, if the system does enter high criticality, the schedulability of high criticality jobs is ensured with allowing low criticality jobs to execute. The schedule is also adaptive, which means that depending on the when and which job enters high criticality, the following schedule is decided accordingly. The schedule is ensured in the worst case. A first step towards dependence between the tasks which is apart from the scheduling is also presented., L'objectif de cette thèse est d'effectuer une analyse d'ordonnancement des systèmes temps réel probabilistes. L'exécution de la tâche est décrit par un probabilistic Worst Case Execution Time (pWCET) qui est une distribution probabiliste de temp d'exécution de la tâche. Les pWCET sont supposé donné. Les tâches sont planifiées avec une ordonnance pour garantir que toutes les tâches disposent d'un temps processeur. Afin de garantir l'exécution de tous les tâches planifiées, une analyse de l'ordonnancement est effectuée. Étant donné que l'exécution des tâches est décrite de manière probabiliste, le l'analyse de l'ordonnancement doit également être probabiliste. Cela implique une modélisation probabiliste du système de manière probabiliste nous assure que toutes les tâches exécutant.En supposant une distribution continue de pWCET, une approche formelle vers l'analyse probabiliste du système à travers la Chaîne de Markov temps continu (CTMCh) pour modéliser les occurrences (jobs) des tâches planifiées à l'aide d'une algorithme de ordonnance à Earliest Deadline First ou à Fixed Priority. Différences entre les distributions pWCET continues et discrètes sont mis en évidence avec les avantages et les inconvénients de chacun. Recherche de réduction du pessimisme des systèmes temps réel, en utilisant un modèle de Chaîne de Markov temps discret (DTMCh) pour un système temps réel probabiliste (pRTS) à criticité mixte (MC) permet de quantifier la probabilité d'entrée du système à haute criticité. De plus, ce pessimisme peut être encore réduit dans un environnement probabiliste en abandonnant le classique algorithmes d'ordonnançabilité.Un ordonnance sûr et garantissant l'ordonnancement des jobs à haute criticité est obtenu à l'aide de l'explorateur basé sur les modèles graphe pour MC pRTS développé dans cette thèse. En même temps, les travaux à faible criticité sont planifiés chaque fois que possible. Cette approche abandonne l'idée classique de suspendre tous les jobs à faible criticité lorsqu'un job à criticité élevée entre dans une mode de criticité élevée. Ici, les probabilités peuvent être quantifiées mais ils ne sont pas affectés parce qu'elles proviennent de pWCET et pWCET ne dépend pas sur l'ordonnance.Les tâches change vers une mode criticité élevée lors de l'exécution, ce qui implique que le temps de réponse, et pas le temps d'exécution, doit être utilisé pour décider modes de criticité. Le temps de réponse étant affecté par le planning, ce ordonnance peut être optimisé par rapport à un critère de probabilité. L'utilisabilité et les hypothèses cachées sont présentées pour l'opération de convolution classique entre distributions de pWCET dans le contexte de systèmes en temps réel. Cela conduit à un programme MC avec une probabilité minimale de système entrant dans une criticité élevée. En même temps, si le système atteint une criticité élevée, l'ordonnancement des jobs à criticité élevée est assurée en permettant l'exécution de jobs à faible criticité. L'ordonnance est également adaptatif, ce qui signifie qu'en fonction de la quand et quel job entre vers criticité élevée, l'ordonnance est décidé en conséquence. L'ordonnance est assuré dans le pire cas. Une première étape vers la dépendance entre les tâches en dehors de l'ordonnancement est également présentée.

Running a reliability analysis on engineering problems involving complex numerical models can be computationally very expensive, requiring advanced simulation methods to reduce the overall numerical cost. Gaussian process based active learning approaches for reliability analysis are thus a way to strongly decrease the computational time by reducing the number of calls to the expensive numerical model while maintaining a sufficiently accurate estimation of the probability of failure. They involve a learning phase that consists in building a Gaussian process approximation of the performance function. Then, the failure probability estimation can typically be obtained by a classification of a sample population evaluated on the final surrogate model. Hence, two sources of uncertainty that are impacting the failure probability estimator can be identified: the metamodel approximation and the sampling variability. In this PhD thesis project, we propose a methodology to quantify the sensitivity of the failure probability estimator to these two uncertainty sources. This analysis is then integrated into an active learning algorithm in order to focus the enrichment on the reduction of the major source of uncertainty. It also allows to quantify and control the global error associated to the probability estimation and thus to define a stopping criterion for the algorithm. This approach is extended to tackle rare events probability estimation problems. Another way to reduce the numerical cost of reliability analyses that is studied in this thesis is related to model order reduction techniques. We propose a coupling between active learning approaches and model order reduction. More precisely, we set an adaptive methodology that allows to choose, on the basis of a coupling criterion, if a reduced solution can be used instead of the whole numerical model to evaluate the performance function., Les analyses de fiabilité sur des problèmes d'ingénierie complexes impliquent souvent des temps de calcul très élevés et requièrent l'utilisation de méthodes numériques avancées.L'estimation de la probabilité de défaillance par des approches d'apprentissage actif de processus gaussiens est une voie possible pour fortement réduire les temps de calcul. Elles consistent en le classement d'une population d'échantillons à partir du modèle de processus gaussien construit. Ainsi, deux sources d'incertitude ont une influence sur l'estimateur de la probabilité de défaillance : l'approximation par métamodèle et la variabilité de l'échantillonnage. Dans ces travaux de thèse, nous proposons une méthodologie pour quantifier la sensibilité de l'estimateur de la probabilité de défaillance à ces deux sources d'incertitude. Une méthodologie focalisant l'enrichissement sur la réduction de la source majeure d'incertitude ainsi qu'un critère d'arrêt basé sur l'erreur globale sont proposés. L'approche est étendue pour l'estimation d'évènements rares.Une autre voie étudiée concerne la réduction du coût numérique unitaire d'évaluation des points d'apprentissage. Ainsi, nous proposons un couplage entre les approches d'apprentissage actif et la réduction de modèle de type base réduite. Une méthodologie adaptative permettant de choisir, par le biais d'un critère de couplage, si une solution réduite peut être utilisée à la place du modèle numérique complexe est proposée.

When developing a complex system, data models are the key to a successful engineering process because they contain and organize all the information manipulated by the different functions involved in system design. The fact that the data models evolve throughout the design raises problems of maintenance of the data already produced. Our work addresses the issue of evolving data models in a model-driven engineering environment (IDM). We focus on minimizing the impact of the evolution of the data model on the system development process in the specific area of space engineering.In the space industry, model-driven engineering (MDI) is a key area for modeling data exchange with satellites. When preparing a space mission, the associated data models are often updated and must be compared from one version to another. Thus, because of the growth of the changes, it becomes difficult to follow them. New methods and techniques to understand and represent the differences and commonalities between different versions of the model are essential. Recent research deals with the evolution process between the two architectural layers (M2 / M1) of the IDM.In this thesis, we have explored the use of the (M1 / M0) layers of the same architecture to define a set of complex operators and their composition that encapsulate both the evolution of the data model and the data migration. The use of these operators improves the quality of results when migrating data, ensuring the complete preservation of the information contained in the data.In the first part of this thesis, we focused on how to deal with structural differences during the evolution process. The proposed approach is based on the detection of differences and the construction of evolution operators. Then, we studied the performance of the model-based approach on two space missions, named PHARAO and MICROSCOPE. Then, we presented a semantic observational approach to deal with the evolution of data models at M1 level. The main interest of the proposed approach is the transposition of the problem of accessibility of the information in a data model, into a problem of path in a labeled directed graph. The approach proved to be able to capture all the evolutions of a data model in a logical operator list instead of a non-exhaustive list of evolution operators. It is generic because, regardless of the type of input data model, if the data model is correctly interpreted to labelled directed graph (LDG) and then project it into a set of labelled transition systems (LTS), we can check the conservation of the information., Lors du développement d’un système complexe, les modèles de données sont la clé d’un processus d’ingénierie réussi : ils contiennent et organisent toutes les informations manipulées par les différentes fonctions impliquées dans la conception du système. Le fait que les modèles de données évoluent tout au long de la conception soulève des problèmes de maintenance des données existantes, ce qui amène à comparer leurs versions successives. En raison de la croissance des changements en termes de type et de nombre, il devient difficile de suivre les différences qui résultent de cette comparaison. De nouvelles méthodes et techniques pour comprendre et représenter les différences et les points communs entre les différentes versions du modèle sont indispensables.Dans cette thèse, nous avons exploré la définition d’opérateurs d’évolution et leur composition, qui encapsulent à la fois l’évolution du modèle de données et la migration des données. L’utilisation de ces opérateurs améliore la qualité des résultats lors de la migration des données, tout en assurant au maximum la conservation de l’information contenue dans les données. Ensuite, nous avons présenté une approche observationnelle. L’intérêt principal de cette approche est la transposition du problème d’accessibilité de l’information dans un modèle de données en un problème de chemin dans un système de transition d'états étiqueté.

In many decision making problems encountered in practice, there is a need to reason at different abstraction levels. This is the case for multi-robot exploration missions, which involve decisions on how exploration tasks are shared between robots, on how these tasks are successively realized by each robot, and on how robots moves are coordinated so as to avoid collisions or to maintain communication links. This is also the case for the management of a constellation of Earth observation satellites, for which decisions must be made concerning how candidate observation tasks are shared between satellites, concerning how each satellite realizes the set of observation tasks allocated to it, and concerning the basic commands that must be sent to instruments for achieving the acquisition plan.This is again the case for the mapping of functions onto an embedded architecture, with first a decision concerning the allocation of functions onto real-time computation units, then a decision concerning the scheduling of functions on each unit, and last a decision on the routing of data exchanged between functions inside an available inter-units network. From a general point of view, such applications require being able to deal with different decision levels covering task allocation and task scheduling over ressources. Additionnally, each task involved must also sometimes be decomposed into subtasks, as in the case of a function computation task which is decomposed into one subtask for reading the set of data used by the function, one subtask for actually performing the computation, and one subtask for writing the result of the computation in a dedicated buffer. Additionnally, the constraints of the decision making problem to solve can be modeled using different abstraction levels. For instance, in multi-robot exploration, there exist constraints on the energy available for each robot all along the mission. At the time of task sharing between robots, it is not possible for combinatorial reasons to consider a complex dynamic model linking the level of energy available to the instantaneous power consumption. Instead, a simpler model might be used, in which a fixed amount of energy is consumed by each task. The complex energy model can be considered again once tasks have been allocated to robots and once robot moves have been synthesized. Similarly, for Earth observing satellites, it is possible to consider a fixed duration between the realization of two successive activities before considering finer a model taking into account the kinematics of satellites and the coordinates of images to be realized. The goal of this thesis is to define new models and algorithms for handling such hierarchical decision making problems., Dans de nombreuses applications qui présentent un problème de décision ou d'optimisation combinatoire, il est utile de raisonner à différents niveaux d'abstraction. C'est par exemple le cas pour des missions d'exploration multi-robots, où l'on peut s'intéresser premièrement à la répartition de tâches d'exploration entre différents robots, puis à la manière dont chaque robot enchaîne les tâches qui lui sont allouées, et enfin à la décomposition de ces enchaînements de tâches sous la forme de déplacements à coordonner pour éviter des collisions. D'un point de vue général, il est nécessaire dans ce type d'application de considérer différents niveaux de décision couvrant allocation des tâches sur des ressources et ordonnancement des tâches sur ces mêmes ressources. Chaque tâche à considérer peut de plus se décomposer en plusieurs sous-tâches qui doivent toutes être réalisées pour que la tâche parente le soit. Plusieurs alternatives de décomposition peuvent être considérées dans ce cas. Finalement, les contraintes des problèmes de décision à résoudre peuvent être représentées avec différents niveaux d'abstraction. La thèse s'intéresse à la définition de modèles et d'algorithmes de décision utilisables pour gérer ces problématiques de décision hiérarchique. Plus précisément, les contributions de la thèse consistent tout d’abord en la définition d’un modèle générique pour les problèmes d’ordonnancement hiérarchique, ainsi que la définition d’un cadre générique permettant de décomposer un tel problème en plusieurs couches. Ensuite, lorsque le problème est découpé en plusieurs couches, deux stratégies d’interaction sont proposées entre les couches, une première inspirée des modèles de substitution et la seconde inspirée des décompositions logiques de Benders. Des expérimentations menées sur l’application de déploiement multirobot montrent l’efficacité des approches proposées.

Complex embedded systems (planes, satellites, drones ...) contain more and more calculators. From now on, these are tens or even hundreds of calculators that communicate through a shared network. A function is achieved by the collaboration of a set of devices that exchange a growing number of information.In an embedded real-time context, it must be ensured that these informations exchanged are correct but it must also be ensured that they verify their temporal constraints. From the network point of view, this means that informations must be exchanged respecting their deadlines. This implies being able to upper bound the traversal time of the network of each message in order to verify that it arrives in time. However, as embedded systems are more and more complex and as the amount of information exchanged is constantly increasing, this bound is increasingly difficult to compute. Furthermore, it is important that this upper bound to be the least pessimistic possible to avoid an oversized system. The goal of this workis to develop new methods of analysis in order to be able to compute these bounds. In order to achieve this, we used the Network Calculus method of analysis. This work focuses on the modeling of interactions between synchronous messages and asynchronous messages. The models presented in this work take into account the transmission dates on the network of synchronous messages when calculating the upper bounds of traversal time of the asynchronous messages. The main contributions are :1. the presentation of a new way of considering the use of the dates of emission on the CAN bus : the weak synchronization. As well as the complete modeling of such a system and finally the evaluation of the gain provided by this solution.2. a complete modeling of the TTEthernet network allowing to evaluate the impact of the synchronous flows on the traversal time of the asynchronous flows. 3. a presentation of the use of synchronization in the TSN network and a complete model for analyzing this new technology.; Les systèmes embarqués complexes (avions, satellites, drones...) contiennent de plus en plus de calculateurs. Désormais ce sont des dizaines voire des centaines de calculateurs qui communiquent à travers un réseau partagé. Une fonction est réalisée par la collaboration d’un ensemble de calculateurs qui s’échangent un nombre croissant d’informations.Dans un contexte de temps réel embarqué, il faut non seulement garantir que ces informations échangées sont correctes mais il faut aussi garantir qu’elles vérifient leurs contraintes temporelles. Du point de vue du réseau cela signifie qu’une information doit être échangée en respectant les délais qui lui sont imposés. Ceci implique de pouvoir borner le temps de traversée du réseau de chaque message afin de vérifier qu’il arrive dans les temps. Or les systèmes embarqués étant de plus en plus complexes et le nombre d’informations échangées étant en constante augmentation, cette borne est de plus en plus difficile à calculer. De plus il est important que cette borne soit le moins pessimiste possible afin d’éviter que le système soit sur dimensionné.L’objectif de ce travail est de mettre en place un modèle capable de calculer ces bornes. Afin d’y parvenir nous nous sommes basés sur la méthode d’analyse du Calcul Réseau. Ce travail s’est en particulier attardé sur la modélisation des interactions qui existent entre les messages synchrones et les messages asynchrones. Les modèles présentés dans ce manuscrit prennent en compte les dates d’émission sur le réseau des messages synchrones lors du calcul des bornes supérieures de temps de traversée des messages asynchrones. Les principales contributions apportées par ce manuscrit sont :1. la présentation d’une nouvelle façon d’envisager l’utilisation des dates d’émission sur le bus CAN : la synchronisation faible. Ainsi que la modélisation complète d’un tel système et enfin l’évaluation du gain apporté par cette solution.2. une modélisation complète du réseau TTEthernet permettant d’évaluer finement l’impact des flux synchrones sur le temps de traversée des flux asynchrones.3. une présentation de l’utilisation de la synchronisation dans le réseau TSN ainsi qu’un modèle complet permettant d’analyser cette nouvelle technologie.

The quality of source code depends not only on its functional correctness but also on its readability, intelligibility and maintainability. This is currently an important problem in robotics where many open-source frameworks do not spread well in the industry because of uncertainty about the quality of the code. Code analysis and search tools are effective in improving these aspects. It is important that they let the user specify what she is looking for in order to be able to take into account the specific features of the project and of the domain. There exist two main representations of the source code : its Abstract Syntax Tree (AST) and the Control Flow Graph (CFG) of its functions. Existing specification mechanisms only use one of these representations, which is unfortunate because they offer complementaty information.The objective of this work is therefore to develop a method for verifying code compliance with user rules that can take benefit from both the AST and the CFG. The method is underpinned by a new logic we developed in this work : FO ++ , which is a temporal extension of first-order logic. Relying on this logic has two advantages. First of all, it is independent of any programming language and has a formal semantics. Then, once instantiated for a given programming language, it can be used as a mean to formalize user provided properties. Finally, the study of its model-checking problem provides a mechanism for the automatic and correct verification of code compliance. These different concepts have been implemented in Pangolin, a tool for the C++ language. Given the code to be checked and a specification (which corresponds to an FO ++ formula, written using Pangolin language), the tool indicates whether or not the code meets the specification. It also offers a summary of the evaluation in order to be able to find the code that violate the property as well as a certificate of the result correctness. Pangolin and FO ++ have been applied to the field of robotics through the analysis of the quality of ROS packages and the formalization of a ROS-specific design-pattern. As a second and more general application to the development of programs in C++, we have formalized various good practice rules for this language. Finally, we have showed how it is possible to specify and verify rules that are closely related to a specific project by checking properties on the source code of Pangolin itself., La qualité d'un code informatique passe à la fois par sa correction fonctionnelle mais aussi par des critères de lisibilité, compréhension et maintenabilité. C'est une problématique actuellement importante en robotique où de nombreux frameworks open-source se diffusent mal dans l'industrie en raison d'incertitudes sur la qualité du code. Les outils d'analyse et de recherche de code sont efficaces pour améliorer ces aspects. Il est important qu'ils laissent l'utilisateur spécifier ce qu'il recherche afin pouvoir prendre en compte les spécificités de chaque projet et du domaine. Il existe deux principales représentations du code: son arbre de syntaxe abstraite (Abstract Syntax Tree en anglais, ou AST) et le graphe de flot de contrôle (Control Flow Graph en anglais, ou CFG) des fonctions qui sont définies dans le code. Les mécanismes de spécification existants utilisent exclusivement l'une ou l'autre de ces représentations, ce qui est dommage car elles offrent des informations complémentaires. L'objectif de ce travail est donc de développer une méthode de vérification de la conformité du code avec des règles utilisateurs qui puissent exploiter conjointement l'AST et le CFG. La méthode repose sur une nouvelle logique développée dans le cadre de ces travaux : FO++, qui est une extension temporelle de la logique du premier ordre. Cette logique a plusieurs avantages. Tout d'abord, elle est indépendante de tout langage de programmation et dotée d'une sémantique formelle. Ensuite, elle peut être utilisée comme moyen de formaliser les règles utilisateurs une fois instanciée pour un langage de programmation donné. Enfin, l'étude de son problème de model-checking offre un mécanisme de vérification automatique et correct de la conformité du code. Ces différents concepts ont été implémentés dans Pangolin, un outil pour le langage C++. Étant donné le code à vérifier et une spécification (qui correspond à une formule de FO++, écrite dans le langage utilisateur de Pangolin), l'outil indique si oui ou non le code respecte la spécification. Il offre de plus un résumé synthétique de l'évaluation pour pouvoir retrouver le potentiel code fautif ainsi qu'un certificat de correction du résultat. Pangolin et FO++ ont trouvé une première application dans le domaine de la robotique via l'analyse de la qualité des paquets ROS et la formalisation d'un design-pattern spécifique à ROS. Une seconde application plus générale concerne le développement de programmes en C++ avec la formalisation de diverses règles de bonnes pratiques pour ce langage. Enfin, on montre comment il est possible de spécifier et vérifier des règles intimement liées à un projet en vérifiant des propriétés sur Pangolin lui-même.

The efficiency of modern optimization methods, coupled with increasing computational resources, has led to the possibility of real-time optimization algorithms acting in safety critical roles. However, this cannot happen without addressing proper attention to the soundness of these algorithms. This PhD thesis discusses the formal verification of convex optimization algorithms with a particular emphasis on receding-horizon controllers. Additionally, we demonstrate how theoretical proofs of real-time optimization algorithms can be used to describe functional properties at the code level, thereby making it accessible for the formal methods community., L’efficacité des méthodes d’optimisation modernes, associée à l’augmentation des ressources informatiques, a conduit à la possibilité d’utiliser ces algorithmes d’optimisation en temps réel agissant dans des rôles critiques. Cependant, cela ne peut se produire sans porter une certaine attention à la validité de ces algorithmes. Ce doctorat traite de la vérification formelle des algorithmes d'optimisation convexe lors qu'ils sont utilisés pour la guidance de systèmes dynamiques. En outre, nous démontrons comment les preuves théoriques des algorithmes d'optimisation en temps réel peuvent être utilisées pour décrire les propriétés fonctionnelles au niveau du code, les rendant ainsi accessibles à la communauté des méthodes formelles.

The efficiency of modern optimization methods, coupled with increasing computational resources, has led to the possibility of real-time optimization algorithms acting in safety critical roles. However, this cannot happen without addressing proper attention to the soundness of these algorithms. This PhD thesis discusses the formal verification of convex optimization algorithms with a particular emphasis on receding-horizon controllers. Additionally, we demonstrate how theoretical proofs of real-time optimization algorithms can be used to describe functional properties at the code level, thereby making it accessible for the formal methods community.; L’efficacité des méthodes d’optimisation modernes, associée à l’augmentation des ressources informatiques, a conduit à la possibilité d’utiliser ces algorithmes d’optimisation en temps réel agissant dans des rôles critiques. Cependant, cela ne peut se produire sans porter une certaine attention à la validité de ces algorithmes. Ce doctorat traite de la vérification formelle des algorithmes d'optimisation convexe lors qu'ils sont utilisés pour la guidance de systèmes dynamiques. En outre, nous démontrons comment les preuves théoriques des algorithmes d'optimisation en temps réel peuvent être utilisées pour décrire les propriétés fonctionnelles au niveau du code, les rendant ainsi accessibles à la communauté des méthodes formelles.