Multi-view design for cyber-physical systems

Les appareils électroniques (capteurs, actionneurs, etc.) et leurs systèmes de contrôle embarqués communicants apparaissent dans tous les domaines de nos vies, et tout le monde a ressenti leur influence omniprésente. Les systèmes de cyber-physiques (CPS) sont des systèmes distribués qui intègrent des composants hétérogènes mêlant processus numérique avec modèles physiques. Ils sont très présents dans les processus industriels et les systèmes publics (smart home, smart city, smart transportation). Ils combinent à la fois des aspects discrets et continus et présentent souvent des modèles de sécurité complexes et sont particulièrement vulnérables.Les concepteurs de CPS doivent prendre en compte de nombreux facteurs en raison de la complexité et de la diversité des systèmes actuels. Ils s'appuient sur différents modèles et langages, chacun adapté à un sous-domaine particulier, ce qui conduit à des problèmes de cohérence entre ces modèles et ces langages. Comment mettre ensemble ces modèles est le point d'étude central de cette thèse.Nous explorons une approche basée sur des modèles en composant plusieurs artefacts hétérogènes ( vues ) dans un modèle intégré du système cohérent. Plutôt que d'essayer de créer un langage de modélisation universel pour capturer tous les aspects, nous rassemblons de petits sous-ensembles de langages de modélisation pour nous concentrer sur des capacités d'analyse spécifiques. Nous avons proposé un langage suffisamment générique pour extraire des sous-ensembles et les combiner pour créer des vues des différents experts. Il maintient également une cohérence globale entre les différentes vues.Nous prenons un exemple, un procédé industriel basé sur Capella, qui fournit (parmi les autres) un large support pour l'analyse fonctionnelle des exigences au déploiement des composants. Bien que très complet pour l'analyse fonctionnel, Capella ne fournit pas de mécanismes spécifiques pour l'analyse de sécurité et de sûreté, ou la planification. Nous montrons comment le combiner avec d'autres langages dédiés pour augmenter l'expressivité globale et la capacité d'analyse. Nous le combinons, dans un premier temps à SysML-sec, une extension de SysML dédiée à l'analyse de la sécurité et de la sûreté. Nous extrayons un sous-ensemble des deux langages pour construire une vue cohérente et suffisante pour l'analyse. Nous utilisons la même technique pour d'autres analyses, comme l'analyse d'ordonnançabilité avec AADL.Cyber-Physical Systems (CPS) characterize all these distributed embedded systems that influence so many aspects of people lives without them even being aware of it. They combine small digital systems deeply entangled with physical processes (like factory control systems, smart transportations or smart home systems). As most large scale distributed systems built by putting together subsystems CPS are largely vulnerable to attacks that may impact the safety or physical integrity of people.In Model-Based System Engineering (MBSE), CPS designers bring together the expertises of a wide variety of experts, each of them using different sets of languages and tools. This variety makes it difficult to combine and integrate all these models and artefacts. Looking at this overall process with the goal to improve security is the main scope of our work.We propose a model-based approach to combine heterogeneous models. Rather than trying to build a universal language to combine all the expressiveness of all the sublanguages, we elaborate on subsets of existing languages to keep only what is needed to conduct the required analyses. We use a meta-language to keep the consistency between these subsets.As a case study we start from Capella, an open-source solution used by major integrating companies of critical-systems. Capella covers a wide design flow from functional analysis to component deployment. However, it does not have any specific mechanism for security analysis and would rely on plugins for that purpose. We explore a solution to combine it with another tool, SysML-sec, which is an extension of SysML dedicated to security and safety analysis. We extract only the required subsets to conduct functional analysis with Capella, and security analysis with SysML-sec. We do the same exercise with AADL to do schedulability analysis and show the generality of our process