ArchSoS : A description language of advanced systems of systems architectures

Les systèmes de systèmes (ou SoS pour "Systems of Systems") sont une classe de systèmes dont les constituants sont des systèmes autonomes, qui collaborent dans une hiérarchie spécifique pour aboutir à un but commun (appelé mission) qu'aucun d'eux peut accomplir à lui seul.Ces constituants sont dotés de la particularité d'avoir une opérabilité et une évolution indépendante, ce qui résulte à des missions imprévisibles. Ils peuvent aussi être hétérogènes, ce qui incrémente le degré de complexité du SoS qui les contient. Fournir un plan d'action précis pour gérer et capturer ses missions n'est pas une tâche triviale.Les travaux de cette thèse visent à pallier ce manque, en proposant une solution modulaire, réutilisable, générique et basée sur un cadre formel pour décrire les SoS et leurs constituants. Elle consiste à la description et l'analyse des architectures logicielles des SoS en définissant un nouveau langage de description d'architectures "ArchSoS ", dédié aux SoS, offrant ainsi un niveau d'abstraction qui permet de réduire la complexité de ce type de systèmes.Dans un premier temps, nous définissons une architecture de référence pour les SoS, inspirée de la norme ISO/IEC/IEEE 42010. Cette architecture sert à l'association d'une syntaxe concrète, qui peut être graphique ou textuelle, à ArchSoS.Ensuite, nous adoptons les Systèmes Réactifs Bigraphiques (BRS) pour définir une syntaxe abstraite et formelle de ce langage. L'intérêtd'utiliser ce formalisme réside dans le fait que les deux aspects structurel et comportemental sont considérés respectivement à l'aide des bigraphes et des règles de réactions bigraphiques.D'autre part, cette syntaxe formelle d'ArchSoS peut aussi avoir deux vues : une vue graphique visuelle et une vue algébrique textuelle.Nous complétons la définition d'ArchSoS en lui associant une sémantique opérationnelle à base de la logique de réécriture. Tous les aspects intégrés dans les descriptions des SoS à base d'ArchSoS (hiérarchie, contraintes fonctionnelles, événements, missions, etc.) trouvent leur interprétation sémantique dans le langage de stratégies Maude, qui est une extension du langage Maude. L'utilisation de cette extension a permis de combler le manque qui existaitdans la version basique de Maude, où la réécriture des états d'un SoS peut être guidée afin d'accomplir telle ou telle mission en séquentiel et même en parallèle. Il suffit de définir des stratégies pour guider l'évolution du comportement d'un SoS.La validation de nos contributions théoriques est faite sur une étude de cas pratique et d'une grandeur naturelle, il s'agit d'appliquer toutes les étapes de notre approche (spécification, exécution du modèle et son analyse) pour concevoir et prototyper l'architecture dynamique d'un SoS de réponses aux crises ou CRSoS ("Crisis Response SoS").Systems of Systems (SoS) are a class of systems whose constituents are autonomous systems.They collaborate in a specific hierarchy to achieve a common goal (called mission) that none of them can accomplish alone. These constituents have the particularity of owning independent operability and evolution, which results in unpredictable missions.They can also be heterogeneous,increasing the complexity of the SoS. So, providing a precise plan of action to manage and capture these missions is not a trivial task.The work of this thesis aims to overcome this shortcoming, by proposing a modular, reusable, generic and formal solution to describe SoS and their constituents. It consists in the definition of a new Architecture Description Language (ADL) "ArchSoS", dedicated to SoS, and thus offering a high level of abstraction allowing to reduce the complexity of this type of systems.First, we define a reference architecture for SoS, inspired from the ISO/IEC/IEEE 42010 standard. This architecture is used to associate a concrete syntax, which can be graphical or textual, to ArchSoS. Then, we adopt Bigraphic Reactive Systems (BRS) to define the abstract and formal syntax of this language. The interest of using this formalism lies in the fact that the two structural and behavioral aspects are considered respectively.On the other hand, this formal syntax of ArchSoS can also be represtend with a graphical visual view and an algebraic textual view.We complete the definition of ArchSoS by associating an operational semantic, based on rewriting logic, to this language. All aspects embedded in ArchSoS-based SoS descriptions (hierarchy, functional constraints, events, missions, etc.) find their semantic interpretation in the Maude strategy language, which is an extension of the Maude language. The use of this extension has filled the gap that existed in the basic version of Maude, where the rewriting of an SoS states can be guided in order to accomplish any pair of missions sequentially and even in parallel.The validation of our theoretical contributions is done on a practical and concrete case study, it consists of applying all the phases of our approach (specification, execution of the model and its analysis) to conceive and prototype the dynamic architecture of a Crisis Response SoS (CRSoS)