The control system in formal language theory and the model monitoring approach for reliability and safety

par Zhe Chen

Thèse de doctorat en Systèmes informatiques

Sous la direction de Gilles Motet.

Le président du jury était Karama Kanoun.

Le jury était composé de Gilles Motet, Jean-paul Blanquart.

Les rapporteurs étaient Fabrice Bouquet, Maritta Heisel.

  • Titre traduit

    Systèmes de contrôle dans la théorie des langages et approche par monitoring des modèles pour la sécurité


  • Résumé

    Cette thèse contribue à l’étude de la fiabilité et de la sécurité-innocuité des systèmes informatisés, modélisés par des systèmes à événements discrets. Les principales contributions concernent la théorie des Systèmes de Contrôle (notés C Systems) et l’approche par Monitoring des modèles.Dans la première partie de la thèse, nous étudions la théorie des Systèmes de Contrôle qui combine et étend de façon significative, les systèmes de réécriture de la théorie des langages et le contrôle supervisé. Un système de contrôle est une structure générique qui contient deux composants : le composant contrôlé et le composant contrôlant qui restreint le comportement du composant contrôlé. Les deux composants sont exprimés en utilisant le même formalisme comme des automates ou des grammaires. Nous considérons différentes classes de systèmes de contrôle basés sur différents formalismes comme, par exemple, les automates, les grammaires, ainsi que leurs versions infinies et concurrentes. Ensuite, une application de cette théorie est présentée. Les systèmes de contrôle basés sur les automates de Büchi sont utilisés pour vérifier par model-checking, des propriétés définissant la correction sur des traces d’exécution spécifiées par une assertion de type nevertrace.Dans la seconde partie de la thèse, nous investiguons l’approche de monitoring des modèles dont la théorie des systèmes de contrôle constitue les fondations formelles. Le principe pivot de cette approche est la «spécification de propriétés comme contrôleur». En d’autres termes, pour un système, les exigences fonctionnelles, d’une part, et des propriétés, d’autre part, sont modélisées et implantées séparément, les propriétés spécifiées contrôlant le comportement issu des exigences fonctionnelles. De cette approche découle ainsi deux techniques alternatives, respectivement nommées monitoring de modèle et génération de modèle. Cette approche peut être utilisée de diverses manières pour améliorer la fiabilité et la sécurité-innocuité de divers types de systèmes. Nous présentons quelques applications qui montrent l’intérêt pratique de cette contribution théorique. Tout d’abord, cette approche aide à prendre en compte les évolutions des spécifications des propriétés. En second lieu, elle fournit une base théorique à la sécurité fonctionnelle, popularisée par la norme IEC 61508. En troisième lieu, l’approche peut être utilisée pour formaliser et vérifier l’application de guides de bonnes pratiques ou des règles de modélisation appliquées par exemple pour des modèles UML.Ces résultats constituent les bases pour des études futures de dispositifs plus perfectionnés, et fournissent une nouvelle voie pour s’assurer de la fiabilité et de la sécurité-innocuité des systèmes


  • Résumé

    This thesis contributes to the study of reliability and safety of computer and software systems which are modeled as discrete event systems. The major contributions include the theory of Control Systems (C Systems) and the model monitoring approach.In the first part of the thesis, we study the theory of control systems which combines and significantly extends regulated rewriting in formal languages theory and supervisory control. The control system is a generic framework, and contains two components: the controlled component and the controlling component that restricts the behavior of the controlled component. The two components are expressed using the same formalism, e.g., automata or grammars. We consider various classes of control systems based on different formalisms, for example, automaton control systems, grammar control systems, and their infinite versions and concurrent variants. After that, an application of the theory is presented. The Büchi automata based control system is used to model and check correctness properties on execution traces specified by nevertrace claims.In the second part of the thesis, we investigate the model monitoring approach whose theoretical foundation is the theory of control systems. The key principle of the approach is “property specifications as controllers”. In other words, the functional requirements and property specification of a system are separately modeled and implemented, and the latter one controls the behavior of the former one. The model monitoring approach contains two alternative techniques, namely model monitoring and model generating. The approach can be applied in several ways to improve reliability and safety of various classes of systems. We present some typical applications to show its strong power. First, the approach provides better support for the change and evolution of property specifications. Second, it provides the theoretical foundation of safety-related systems in the standard IEC 61508 for ensuring the functional validity. Third, it is used to formalize and check guidelines and consistency rules of UML.These results lay out the foundations for further study of more advanced control mechanisms, and provide a new way for ensuring reliability and safety


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