An integrated language for the specification, simulation, formal analysis and enactment of discrete event systems

par Oumar Maïga

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Mamadou Kaba Traoré et de Ouaténi Diallo.

Le président du jury était Moussa Lô.

Le jury était composé de Mamadou Kaba Traoré, Jacqueline Konaté.

Les rapporteurs étaient Claudia Frydman, Jean-François Santucci.

  • Titre traduit

    Un langage intégré pour la spécification, simulation, analyse formelle et en-action des systèmes à événements discrets


  • Résumé

    Cette thèse propose une méthodologie qui intègre les méthodes formelles dans la spécification, la conception, la vérification et la validation des systèmes complexes concurrents et distribués avec une perspective à événements discrets. La méthodologie est basée sur le langage graphique HILLS (High Level Language for System Specification) que nous avons défini. HiLLS intègre des concepts de génie logiciel et de théorie des systèmes pour une spécification des systèmes. Précisément, HiLLS intègre des concepts et notations de DEVS (Discrete Event System Specification), UML (Unified Modeling Language) et Object-Z. Les objectifs de HILLS incluent la définition d’une syntaxe concrète graphique qui facilite la communicabilité des modèles et plusieurs domaines sémantiques pour la simulation, le prototypage, l’enaction et l’accessibilité à l’analyse formelle. L’Enaction se définit par le processus de création d’une instance du système qui s’exécute en temps réel (par opposition au temps virtuel utilisé en simulation). HiLLS permet la construction hiérarchique et modulaire des systèmes à événements discrets grâce à une description simple et rigoureuse des aspects statiques, dynamiques et fonctionnels des modèles. La sémantique pour simulation de HiLLS est définie en établissant un morphisme sémantique entre HiLLS et DEVS; de cette façon chaque modèle HiLLS peut être simulé en utilisant un simulateur DEVS. Cette approche permet aux utilisateurs DEVS d’utiliser HiLLS comme un langage de spécification dans la phase de modélisation et d’utiliser leurs propres implémentations locales ou distribuées de DEVS en phase de simulation. L’enactment des modèles HiLLS est basé sur une adaptation du patron de conception Observateur pour leur implémentation. La vérification formelle est faite en établissant un morphisme entre chaque niveau d’abstraction de HiLLS et une méthode formelle adaptée pour la vérification formelle des propriétés à ce niveau. Les modèles formels sur lesquels sont faites les vérifications formelles sont obtenus à partir des spécifications HiLLS en utilisant des morphismes. Les trois niveaux d’abstraction de HiLLS sont : le niveau composite, le niveau unitaire et le niveau des traces. Ces niveaux correspondent respectivement aux trois niveaux suivants de la hiérarchie de spécification des systèmes proposée par Zeigler : CN (Coupled Network), IOS (Input Output System) et IORO (Input Output Relation Observation). Nous avons établi des morphismes entre le niveau Composite et CSP (Communicating Sequential Processes), entre le niveau unitaire et Z, et nous utilisons les logiques temporelles telles que LTL, CTL et TCTL pour exprimer les propriétés sur les traces. HiLLS permet à la fois la spécification des modèles à structures statiques et les modèles à structures variables. Dans le cas des systèmes à structures variables, le niveau composite intègre à la fois des propriétés basées sur les états et les processus. Pour prendre en compte ces deux aspects, un morphisme est défini entre le niveau Composite de HiLLS et CSPZ (une combinaison de CSP et Z). Le processus de vérification et de validation combine la simulation, la vérification exhaustive de modèle (model checking) et la preuve de théorèmes (theorem proving) dans un Framework commun. La vérification exhaustive et la preuve de théorèmes sur les modèles HiLLS sont basées sur les outils associés aux méthodes formelles sélectionnées dans les morphismes. Nous appliquons la méthodologie de modélisation de HiLLS à la modélisation du Alternating Bit Protocol (ABP) et à celle d’un guichet automatique de dépôt de billet (Automated Teller Machine) (ATM).


  • Résumé

    This thesis proposes a methodology which integrates formal methods in the specification, design, verification and validation processes of complex, concurrent and distributed systems with discrete events perspectives. The methodology is based on the graphical language HILLS (High Level Language for System Specification) that we defined. HiLLS integrates software engineering and system theoretic views for the specification of systems. Precisely, HiLLS integrates concepts and notations from DEVS (Discrete Event System Specification), UML (Unified Modeling Language) and Object-Z. The objectives of HILLS include the definition of a highly communicable graphical concrete syntax and multiple semantic domains for simulation, prototyping, enactment and accessibility to formal analysis. Enactment refers to the process of creating an instance of system executing in real-clock time. HILLS allows hierarchical and modular construction of discrete event systems models while facilitating the modeling process due to the simple and rigorous description of the static, dynamic, structural and functional aspects of the models. Simulation semantics is defined for HiLLS by establishing a semantic mapping between HiLLS and DEVS; in this way each HiLLS model can be simulated by a DEVS simulator. This approach allow DEVS users to use HiLLS as a modeling language in the modeling phase and use their own stand alone or distributed DEVS implementation package to simulate the models. An enactment of HiLLS models is defined by adapting the observer design-pattern to their implementation. The formal verification of HiLLS models is made by establishing morphisms between each level of abstraction of HILLS and a formal method adapted for the formal verification of the properties at this level. The formal models on which are made the formal verification are obtained from HILLS specifications by using the mapping functions. The three levels of abstraction of HILLS are: the Composite level, the Unitary level and the Traces level. These levels correspond respectively to the following levels of the system specification hierarchy proposed by Zeigler: CN (Coupled Network), IOS (Input Output System) and IORO (Input Output Relation Observation). We have established morphisms between the Composite level and CSP (Communicating Sequential Processes), between Unitary level and Z and we expect to use temporal logics like LTL, CTL and TCTL to express traces level properties. HiLLS allows the specification of both static and dynamic structure systems. In case of dynamic structure systems, the composite level integrates both sate-based and process-based properties. To handle at the same time state-based and process-based properties, morphism is established between the dynamic composite level and CSPZ (a combination of CSP and Z); The verification and validation process combine simulation, model checking and theorem proving techniques in a common framework. The model checking and theorem proving of HILLS models are based on an integrated tooling framework composed of tools supporting the notations of the selected formal methods in the established morphisms. We apply our methodology to modeling of the Alternating Bit Protocol (ABP) and the Automated Teller Machine (ATM).


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