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| Augmenting systems engineers at the individual and collective levels (Augmenter l’ingénierie des systèmes aux niveaux individuel et collectif) | ||
Giraudet, Théo - (2026-03-20) / Université de Rennes - Augmenting systems engineers at the individual and collective levels Langue : Anglais Directeur de thèse: Combemale, Benoît; Blouin, Arnaud Laboratoire : IRISA Ecole Doctorale : MATISSE Thématique : Informatique | ||
Mots-clés : ISBM, Ingénierie des langages, Fonctionnalités interactives adaptées aux langages, Collaboration sociotechnique, Modélisation hétérogène, Ingénierie continue, Ingénierie dirigée par les modèles Résumé : L'ingénierie système est un domaine de l'ingénierie qui traite de la conception, du développement et de l'exploitation de systèmes tels que les avions, les engins spatiaux, les automobiles, etc. Ce domaine implique de nombreuses parties prenantes qui adressent de multiples aspects d'un système (architecture, simulation, gestion des exigences, etc.) tout au long de son cycle de vie. Au fil du temps, la complexité des systèmes augmente constamment, émergeant désormais non seulement des parties elles-mêmes mais aussi des interactions entre les différents composants du système. Parallèlement, les pratiques d'ingénierie ont évolué du développement de systèmes à partir de zéro vers la réutilisation et l'amélioration de composants existants pour construire de nouvelles versions de systèmes. De plus, un nombre croissant de normes telles que les standards environnementaux ou de sécurité doivent être respectées, nécessitant leur validation par rapport au système pour identifier leurs impacts éventuels. Cependant, les pratiques d'ingénierie système reposent fortement sur des documents informels rédigés en langage naturel pour décrire le système et ses différents aspects. Elles dépendent également de processus séquentiels (par exemple conception, ingénierie, intégration, validation, exploitation) tout au long du cycle de vie du système, avec une prise de décision synchrone. Ces processus ont été initialement conçus pour gérer correctement la complexité du système et les injonctions contradictoires interdisciplinaires en cloisonnant les différentes disciplines impliquées. Néanmoins, ils empêchent désormais le domaine de gérer correctement les besoins des systèmes actuels. En effet, cela nécessite plus de flexibilité, des cycles d'itération plus courts, une prise de décision asynchrone, et davantage de travail interdisciplinaire et transdisciplinaire malgré l'hétérogénéité inhérente des experts, des disciplines et de la nature physique des systèmes eux-mêmes. Pour relever ces défis, l'ingénierie système transite vers deux paradigmes complémentaires. Premièrement, l'ingénierie système basée sur les modèles (ISBM) a été proposée pour remplacer les documents par des modèles intégrés explicites. Ces modèles représentent les préoccupations du système à un niveau d'abstraction donné décrit à travers des langages de modélisation dédiés. L'utilisation de ces langages permet de réduire l'ambiguïté et de fournir des capacités de vérification formelles et automatiques tout en offrant un environnement de modélisation riche pour la gestion des modèles. L'ISBM fournit ainsi une réponse dans l'espace technique aux défis en permettant de connecter différentes préoccupations du système, conduisant à une meilleure compréhension du système. Concernant l'espace méthodologique, l'ingénierie système adopte des méthodes d'ingénierie continue. Le domaine vise à faire exécuter les différentes phases du cycle de vie de manière itérative, avec une intégration, des tests et un déploiement continus tout au long du processus de développement. Cela permet des cycles d'itération plus courts, un retour d'information précoce et une meilleure réactivité aux exigences changeantes. De nombreuses approches existent tant dans la littérature que dans la pratique pour assister ces transitions. La plupart d'entre elles se concentrent sur un seul des deux paradigmes : soit des outils basés sur les modèles pour soutenir les parties prenantes et connecter les données d'ingénierie, soit de nouvelles méthodes d'ingénierie continue adaptées à l'ingénierie système. Cependant, ces approches sont insuffisantes pour relever les défis du domaine. Premièrement, les experts indiquent que les ateliers de modélisation sont difficiles à utiliser et présentent une faible utilisabilité au niveau individuel. Cela impacte la productivité des experts car ils doivent passer du temps à apprendre et utiliser les outils plutôt qu'à se concentrer sur leurs préoccupations d'ingénierie principales, ce qui devient un goulot d'étranglement pour atteindre des cycles d'itération plus rapides. Deuxièmement, les espaces techniques et méthodologiques ne sont pas décorrélés : un changement technique peut impacter les choix méthodologiques, et vice versa. Par exemple, la modification d'un modèle par une partie prenante peut impacter les modèles d'autres disciplines, les obligeant à modifier leurs propres modèles pour assurer la cohérence du système. Cela appartient à l'espace méthodologique et constitue un défi au niveau collectif. Dans cette thèse de doctorat, nous proposons des approches d'ingénierie augmentée pour assister la transition vers l'ingénierie système basée sur les modèles et l'ingénierie continue tout en considérant à la fois l'utilisabilité de l'environnement de modélisation au niveau individuel et la corrélation entre espaces technique et méthodologique au niveau collectif. Notre contribution se divise en deux parties principales adressant ces niveaux respectifs. Premièrement, au niveau individuel, nous proposons une nouvelle approche pour améliorer l'utilisabilité des ateliers de modélisation en intégrant des fonctionnalités interactives adaptées aux langages. Ces fonctionnalités sont spécialisées pour un langage dédié (DSL \emph{Domain-Specific Language}) et améliorent la lisibilité, la navigation et l'édition des modèles. Pour atteindre cet objectif, nous proposons d'étendre les ateliers de conception de langages, qui sont des outils conçus pour développer systématiquement des environnements de modélisation pour les experts de domaine. Plus spécifiquement, nous proposons un nouveau méta-langage pour définir de telles fonctionnalités. Ce nouveau méta-langage s'appuie sur les autres métamodèles du DSL conçu, tels que la syntaxe abstraite et la syntaxe concrète, pour permettre la définition de telles fonctionnalités dédiées. Deuxièmement, au niveau collectif, nous proposons une approche pour soutenir la collaboration sociotechnique en ingénierie système en adressant les aspects techniques et méthodologiques de la transition vers l'ingénierie continue. Plutôt que de fournir de nouveaux outils et méthodes, notre approche cherche à combler le fossé entre ces deux dimensions en connectant les outils existants aux méthodes existantes. L'approche comprend trois composants interconnectés qui décrivent les données collaboratives, l'intégration des outils impliqués dans le processus de collaboration et les workflows (flux de travaux) de collaboration eux-mêmes. Il permet la spécification de phases d'orchestration qui définissent les dépendances entre modèles, de phases de contribution qui établissent les conditions d'acceptation pour les nouvelles versions de modèles, et de phases d'intégration qui valident la cohérence des modèles composés. À travers cette approche, nous pouvons décrire différents workflows de collaboration augmentés par des outils pour permettre une prise de décision asynchrone et un développement parallèle à travers des disciplines d'ingénierie hétérogènes tout en maintenant la traçabilité entre les modèles d'architecture système, les exigences et les modèles de simulation. Nous évaluons les deux contributions à travers des cas d'usage représentatifs. Pour la contribution sur l'interactivité, nous démontrons la faisabilité à travers deux études de cas : un petit DSL personnalisé et SysML v2, un standard industriel pour l'ingénierie système. Ces études de cas montrent que notre approche passe à l'échelle des langages simples aux langages complexes. L'évaluation des performances confirme que les fonctionnalités interactives restent réactives même dans des environnements de modélisation distribués. Pour la contribution sur la collaboration, nous proposons un protocole d'évaluation basé sur le système AIDA de l'IRT Saint Exupéry, un système cyber-physique réaliste intégrant plusieurs disciplines d'ingénierie. Ce protocole valide la capacité de l'approche à supporter des workflows de collaboration séquentiels et parallèles tout en maintenant la continuité entre les modèles d'architecture, les exigences et les simulations. À l'état actuel du travail, l'évaluation est encore en cours. Résumé (anglais) : Systems engineering is a field of engineering that deals with the design, development, and operation of systems like aircraft, spacecraft, automobiles, etc. This field involves numerous stakeholders who address multiple aspects of a system (architecture, simulation, requirements management, etc.) throughout its entire life cycle. Over time, system complexity has increased constantly, with complexity now emerging not only from the parts themselves but also from the interactions between different system components. Concurrently, engineering practices have evolved from developing systems from scratch toward reusing and improving existing components to build new system versions. Furthermore, an increasing number of norms such as environmental or security standards must be respected, requiring their validation against the system to identify their eventual impacts. However, systems engineering practices rely heavily on informal documents written in natural language to describe the system and its different aspects. They also depend on sequential processes (e.g., conception, engineering, integration, validation, operation) throughout the system life cycle, with synchronous decision-making. Such processes were initially designed to correctly manage system complexity and cross-disciplinary contradictory injunctions by siloing the different disciplines involved. Nevertheless, they now hinder the field from correctly handling the needs of today's systems. Indeed, this requires more flexibility, shorter iteration cycles, asynchronous decision-making, and more cross-disciplinary and transdisciplinary work despite the inherent heterogeneity of experts, disciplines, and the physical nature of the systems themselves. To address these challenges, systems engineering is transitioning to two complementary paradigms. First, model-based systems engineering (MBSE) has been proposed to replace documents with explicit integrated models. These models represent system concerns at a given abstraction level described through dedicated modeling languages. The use of these languages enables reducing ambiguity and providing formal and automatic verification capabilities while offering a rich modeling environment for model management. MBSE thus provides a technical-space answer to the challenges by allowing different system concerns to be connected, leading to better understanding of the system. Regarding the methodological space, systems engineering is adopting continuous engineering methods. The field aims to have the different lifecycle phases executed iteratively, with continuous integration, testing, and deployment throughout the development process. This enables shorter iteration cycles, early feedback, and better responsiveness to changing requirements. Numerous approaches exist in both the literature and practice to assist these transitions. Most of them focus on only one of the two paradigms: either model-based tools to support stakeholders and connect engineering data together, or new continuous engineering methods adapted to systems engineering. However, these approaches are insufficient to address the field's challenges. First, experts indicate that modeling workbenches are difficult to use and show low usability at the individual level. This impacts expert productivity as they need to spend time learning and using the tools rather than focusing on their core engineering concerns, which becomes a bottleneck to reaching faster iteration cycles. Second, technical and methodological spaces are not uncorrelated: a technical change can impact methodological choices, and vice versa. For instance, the modification of a model by a stakeholder can impact other disciplines' models, requiring them to modify their own models to ensure system consistency. This belongs to the methodological space and constitutes a collective-level challenge. In this Ph.D thesis, we propose augmented engineering approaches to assist the transition to model-based systems engineering and continuous engineering while considering both modeling environment usability at the individual level and technical/methodological space correlation at the collective level. Our contribution is split into two main parts addressing these respective levels. First, at the individual level, we propose a novel approach to improve the usability of modeling workbenches by integrating semantic-aware interactive features. These features are dedicated to a specific domain-specific language (DSL) and enhance model readability, navigation, and editing. To achieve this, we propose to extend language workbenches, which are tools designed to systematically develop modeling environments for domain experts, with a new meta-language to define such features. This new meta-language relies on the other metamodels of the designed DSL, such as the abstract syntax and the concrete syntax, to enable the definition of such dedicated features. Second, at the collective level, we propose an approach to support socio-technical collaboration in systems engineering by addressing both technical and methodological aspects of the transition to continuous engineering. Rather than proving new tools and methods, our approach seeks to bridge the gap between these two dimensions by connecting existing tools to existing methods. The approach comprises three interconnected components that describe the collaborative data, the integration of tools involved in the collaboration process, and the collaboration workflows themselves. It enables the specification of orchestration phases that define dependencies between models, contribution phases that establish acceptance conditions for new model versions, and integration phases that validate the consistency of composed models. Through this approach, we can describe different collaboration workflows augmented by tools to enable asynchronous decision-making and parallel development across heterogeneous engineering disciplines while maintaining traceability between system architecture models, requirements, and simulation models. We evaluate both contributions through representative use cases. For the interactivity contribution, we demonstrate feasibility through two case studies: a small custom DSL and SysML v2, an industrial standard for systems engineering. These case studies show that our approach scales from simple to complex languages. Performance evaluation confirms that interactive features remain responsive even in distributed modeling environments. For the collaboration contribution, we propose an evaluation protocol based on the AIDA system from IRT Saint Exupéry, a realistic cyber-physical system integrating multiple engineering disciplines. This protocol validates the approach's capability to support both sequential and parallel collaboration workflows while maintaining continuity between architecture models, requirements, and simulations. At the current state of the work, the evaluation is still in progress. Identifiant : rennes1-ori-wf-1-22405 | ||
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