Axe Ingénierie Système

Expertise de l’axe

L’Ingénierie Système (IS) est une méthode pour la conception et le développement de systèmes complexes (produits, organisations et services) aujourd’hui reconnue. Elle promeut des concepts rigoureux, des processus conférant une dimension collaborative et pluridisciplinaire et l’usage de modèles. Le déploiement méthodologique et l’outillage technique de l’Ingénierie Système sont des enjeux indéniables pour l’industrie. Ce déploiement induit cependant une rupture des pratiques et des usages (remise en cause à la fois de l’organisation et des outils. Pour cela, l’axe IS de l’équipe ISOE accompagne l’entreprise dans ces différentes mutations en levant des verrous :

  • Scientifiques : formalisation et systémique, modélisation multi-vues, propriétés non-fonctionnelles des systèmes (e.g. interopérabilité, résilience ou performance), évaluation d’architectures, simulation pour une V&V au plus tôt, patrons de conception, construction incrémentale de modèles.
  • Techniques : langages exécutables et prouvables pour modéliser, simuler et évaluer les systèmes, leurs propriétés non-fonctionnelles.
  • Méthodologiques : MBSE, processus et activités, rôles, moyens et ressources.

L’Ingénierie Système est une démarche de conception de systèmes complexes rigoureuse et aujourd’hui éprouvée en industrie. Elle fait de plus l'objet d'une standardisation dans de nombreux domaines : aéronautique, transport, spatial, santé, … Nous nous plaçons ici dans une hypothèse d’ingénierie basée sur des modèles (Model Based System Engineering – MBSE) et nous intéressons plus particulièrement aux activités :

  • de modélisation de systèmes complexes multi vues, multi paradigmes (fonctionnel, objet), multi langages et dans un cadre collaboratif nécessitant l’échange dans une équipe multi disciplinaire ;
  • de vérification avec un objectif de preuve formelle de propriétés traduisant des exigences de modélisation et de construction d’un modèle, puis des exigences fonctionnelles et non fonctionnelles (sûreté, sécurité, maintenabilité, etc.) du système modélisé ;
  • de validation, puis de justification de certaines des exigences non fonctionnelles ;
  • d’évaluation et de justification de l’efficacité de solutions d’architectures fonctionnelles, logiques et organiques au regard des exigences de performance des parties prenantes.

Les travaux se sont développés autour de trois contributions majeures. La première a consisté à proposer et à formaliser des langages de modélisation spécifiques (DSML) pour améliorer la conception de systèmes complexes qu’ils soient techniques ou sociotechniques. Cette formalisation de DSML s’est concrétisée d’un point de vue méthodologique, puis a été outillée au travers du  framework DIAGRAPH (http://code.google.com/p/diagraph/). Ces DSML doivent supporter la modélisation et la vérification de modèles en respectant les principes de la systémique, les besoins de l’Ingénierie Système (IS) et de la modélisation d’entreprise (ME) et, enfin, en se positionnant résolument dans une hypothèse d’ingénierie basée sur des modèles. Cela inclut de fait le développement de mécanismes de transformation des langages et de modèles, et la formalisation de patrons de conception d’architectures fonctionnelles, logiques et organiques de systèmes techniques complexes.

La deuxième contribution concerne la formalisation des besoins sous forme d’exigences, puis sous forme de propriétés prouvables de manière formelle. Les travaux se sont orientés vers la spécification formelle et la preuve de propriétés. Le langage LUSP (Langage Unifié de Spécification de Propriétés) a été étendu et des approches de vérification basées sur les Graphes Conceptuels et des outils de preuve du marché de type model checker ont été développées et testées ). En particulier, la modélisation et la vérification des exigences d’interopérabilité dans des systèmes techniques et dans des processus collaboratifs multi-métiers, intra et inter entreprise (modélisés en BPMN) ont été étudiées et outillées . Le but est ici de détecter des lacunes dans l’interopérabilité conceptuelle, organisationnelle et technique devant être résolues avant toute implémentation de ces processus. Une deuxième étude a consisté à élaborer un guide de déploiement de processus complexes dans une grande entreprise guidé par la prise en compte de l’interopérabilité des acteurs, processus, activités, … au sein même de l’organisation). Enfin, la prise en compte au fur et à mesure de contextes situationnels particuliers a permis de valider in situ à la fois les aspects modélisation et vérification d’exigences, dans les domaines de la gestion de crise, de la résilience des systèmes, du pilotage de la performance de systèmes de production, des systèmes de transport multimodaux et de systèmes de santé.

La troisième contribution concerne l’évaluation et la comparaison d’architectures candidates de systèmes complexes en vue de leur validation et de leur justification en situation de choix . Le champ d’application concernait ici les systèmes mécatroniques en tenant compte du degré de maturité de chaque architecture en cours de conception. Ces travaux ont fait l’objet d’applications dans le cadre des missions de la plate-forme Mécatronique de l'Ecole.

En synthèse, ces travaux ont permis d’étudier la complémentarité qui paraît aujourd’hui nécessaire en Vérification et Validation (V&V) entre les techniques usuelles de vérification de modèles : expertise, usage de cadres et de modèles de référence, exécution du modèle (simulation, émulation, substitution), évaluation et preuve formelle de propriétés (theorem proving, model checking). Ils se sont concrétisés pour répondre aux attentes d'industriels partenaires (grands groupes comme PME/PMI) au travers des réalisations essentielles ci-dessous :

  • Un guide méthodologique outillé permet d’assister le déploiement des processus de l'Ingénierie Système dans une entreprise de grande taille dans le domaine avionique en étant guidé par l’exigence d’interopérabilité en collaboration avec Eurocopter.
  • DIAGRAPH est un outillage développé sous environnement ECLIPSE qui offre toutes les fonctionnalités attendues d’un générateur de modeleur comparable à l’outillage Graphical Modelling Framework (GMF). Il intègre cependant des mécanismes de reconnaissance de motifs au sein d’un méta modèle permettant d’inférer tout ou partie de la syntaxe concrète graphique d’un Design Specific Modelling Language (DSML) utilisable dans le cadre de l’IS. Cela a permis d’étudier et de fournir une implémentation du modèle conceptuel de patrons architecturaux fonctionnels dans le domaine de l’IS . en collaboration avec l’Association Française d’Ingénierie Système (AFIS).
  • Modèle conceptuel d’une exigence et méthode pour l’écriture et la vérification d’exigences respectant les onze propriétés natives d’une exigence (requirements authoring and requirements verification). Ce modèle a donné l’occasion de lancer des travaux dans les domaines de l’ingénierie des systèmes avioniques et spatiaux (thèse CIFRE en collaboration avec EADS Innovation Works) et des systèmes d’information pour les PME/PMI (modélisation, vérification, validation et génération automatique et graduelle d'une maquette du "système produit" (Thèse CIFRE en collaboration avec la société RESULIS).
  • Outil pour la modélisation et la détection de carences d’interopérabilité dans des processus publics et privés en entreprise pour supporter la recherche de solutions.
  • Extension de l’outil CORE d’Ingénierie Système en collaboration avec la société Vitech Corporation. Cette collaboration va nous amener à étudier l’intégration dans CORE des résultats de nos travaux : algorithmes (actuellement implémentés sous Matlab) et méthode d’évaluation et de comparaison d’alternatives de solution de conception (System Analysis) pour assurer la traçabilité complète des effets des décisions de conception sur le degré de satisfaction des exigences des parties prenantes. Cet outillage est une avancée significative dans le domaine de l’IS puisqu’il permet de faire le lien sans perte ni ressaisie de modèles avec des méthodes d’évaluation et d’aide à la décision en cours de conception.

Cette activité de recherche s’est étoffée de travaux transversaux aux activités décrites ci-dessus. Ils permettent d’élargir le périmètre de nos compétences sans nécessaire lien immédiat avec des projets applicatifs. Ils ont fait l’objet de la campagne de publication et de développement de prototypes décrite ci-après. Il s’agit d’abord de l’étude et de la caractérisation des interactions entre des systèmes complexes selon une approche systémique, que ces interactions soient directes ou indirectes, souhaitées ou au contraire néfastes, concernent des échanges de flux de matière, d’énergie ou d’information, … Cela a abouti à la proposition d’une méthode de conception et d’un modèle d’interface générique pour faciliter la conception et la vérification (recherche de la confiance) de systèmes techniques comme sociotechniques possédant ainsi de meilleures aptitudes à l’interopérabilité . Il s’agit ensuite de la proposition d’un guide pour la modélisation et l’analyse des modes de fonctionnement et des scénarios opérationnels d’un système (GEMOS). Il permet d’améliorer la recherche des fonctions et services d’un système, quelle que soit sa situation de fonctionnement, puis de faire émerger et de vérifier de manière formelle et de proche en proche la cohérence de l’architecture fonctionnelle idéale de ce système . Il s’agit enfin de la proposition d’un processus précis (System Verification and Validation) qui permet d’intégrer l’usage des solutions classiques de V&V de systèmes avec des solutions basées sur des modèles et développées au sein de l’équipe . En conclusion, l’étude, la formalisation et l’outillage d’un méta modèle unifié pour l’ingénierie système ont commencé. L’outillage permettrade démontrer de fait la complémentarité et la pertinence des résultats des travaux de cet axe applicatif .

Les enseignants-chercheurs de cet axe développent des méthodes outillées pour assister les activités de conception, de développement, d’évaluation, de vérification et de validation pour supporter une Ingénierie basée sur des modèles de systèmes mécatroniques, des organisations de santé (HAD, CH et CHU) et des Infrastructures Critiques (IC) (e.g. Transport Ferroviaire, d’Energie ou démantèlement d’Installations Nucléaires de Base).

 

Effectif de l’axe

5 EC ETP dont 2 professeurs, 2 Maîtres Assistants et 2 Maîtres Assistants 1/2 ETP.

Implication de l’axe dans la formation

pour l’IMT Mines Alès et d’autres organismes de formation supérieure (ENSAM Aix, IMT Albi, SupAgro Montpellier, UPB Bucarest, UPT Tirana) dans les thèmes : productique, modélisation de processus d’entreprise, Ingénierie Système, Transition Numérique, Mécatronique

Activité contractuelle de l’axe

Projets ANR (Franco-Allemand RE(H)STRAIN, RESIIST), Projets directs (dont thèses CIFRE : THALES, CEA, AREVA…), CARNOT (MAIIEUTIC), Autres (HOPICAMP, IFIGENI, MASK…)

Rayonnement scientifique de l’axe

36 publications référencées Scopus dans les 4 dernières années. Intégration de l’axe dans des partenariats d’excellence aux niveaux régional, national et international : Notons un ensemble de collaborations avec des institutions et des pôles régionaux et internationaux (AFIS Association Française d’Ingénierie Système, Chapitre Régional CROCC Occitanie de l’AFIS, Pole PVSI de Valorisation des Systèmes Industriels, Groupe de travail Chaîne de la Donnée Numérique (région Occitanie), Pole GSO (Interop’VLab) ou encore GDR MACS du CNRS (Modélisation et Analyse de la Commande des Systèmes).

Partenariat scientifique

  • AFIS (Association Française d’Ingénierie Système)
  • Pole GSO (Interop’VLab)
  • Eurocopter
  • THALES
  • EADS
  • LIRMM
  • IMS Bordeaux
  • INSA Lyon
  • SAFRAN (Toulouse)
  • CASSIDIAN (Toulouse)
  • GT Mechatronique du GdR MACS