Automatic parallelization and scheduling approaches for co-simulation of numerical models on multi-core processors

Lors de la conception de systèmes cyber-physiques, des modèles issus de différents environnements de modélisation doivent être intégrés afin de simuler l'ensemble du système et estimer ses performances. Si certaines parties du système sont disponibles, il est possible de connecter ces parties à la simulation dans une approche Hardware-in-the-Loop (HiL). La simulation doit alors être effectuée en temps réel où les modèles réagissent périodiquement aux composants réels. En utilisant des modèles complexes, il devient difficile d'assurer une exécution rapide ou en temps réel sans utiliser des architectures multiprocesseurs. FMI (Functional Mocked-up Interface), un standard pour l'échange de modèles et la co-simulation, offre de nouvelles possibilités d'exécution multi-cœurs des modèles. L'un des objectifs de cette thèse est de permettre l'extraction du parallélisme potentiel dans une co-simulation multi-rate. Nous nous appuyons sur l'approche RCOSIM qui permet la parallélisation de modèles FMI. Des améliorations sont proposées dans le but de surmonter les limitations de RCOSIM. Nous proposons de nouveaux algorithmes pour permettre la prise en charge de modèles multi-rate. Les améliorations permettent de gérer des contraintes spécifiques telles que l'exclusion mutuelle et les contraintes temps réel. Nous proposons des algorithmes pour l'ordonnancement des co-simulations, en tenant compte de différentes contraintes. Ces algorithmes visent à accélérer la co-simulation ou assurer son exécution temps réel dans une approche HiL. Les solutions proposées sont testées sur des co-simulations synthétiques et validées sur un cas industriel.When designing cyber-physical systems, engineers have to integrate models from different modeling environments in order to simulate the whole system and estimate its global performances. If some parts of the system are available, it is possible to connect these parts to the simulation in a Hardware-in-the-Loop (HiL) approach. In this case, the simulation has to be performed in real-time where models periodically react to the real components. The increase of requirements on the simulation accuracy and its validity domain requires more complex models. Using such models, it becomes hard to ensure fast or real-time execution without using multiprocessor architectures. FMI (Functional Mocked-up Interface), a standard for model exchange and co-simulation, offers new opportunities for multi-core execution of models. One goal of this thesis is the extraction of potential parallelism in a set of interconnected multi-rate models. We build on the RCOSIM approach which allows the parallelization of FMI models. In the first part of the thesis, improvements have been proposed to overcome the limitations of RCOSIM. We propose new algorithms in order to allow handling multi-rate models and schedule them on multi-core processors. The improvements allow handling specific constraints such as mutual exclusion and real-time constraints. Second, we propose algorithms for the allocation and scheduling of co-simulations, taking into account different constraints. These algorithms aim at accelerating the execution of the co-simulation or ensuring its real-time execution in a HiL approach. The proposed solutions have been tested on synthetic co-simulations and validated against an industrial use case