Présentation générale

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1 Mention de Master Ingénierie des Systèmes Complexes (ISC) de l UPSay (Université Paris Saclay) Parcours (M2) CSCP : Conception des Systèmes Cyber-Physiques Etablissements opérateurs : ENSTA ParisTech : Alexandre Chapoutot, ENSTA ParisTech, EC, alexandre.chapoutot@enstaparistech.fr Traduction de l'intitulé du parcours en anglais : Design of Cyber-Physical Systems Présentation générale Le parcours forme des étudiants à la recherche dans les domaines de la modélisation, de l analyse et la vérification des systèmes cyber-physiques. Généralités Contexte Pour des besoins de sécurité, de protection de l'environnement ou pour le confort, l'automatisation des systèmes est la solution adoptée de plus en plus dans l'industrie, en particulier les domaines des transports, de l énergie ou de la défense. L'automatisation se traduit par l'utilisation de composants électroniques pilotés par des programmes informatiques en interaction permanente avec le monde physique. En conséquence, ces systèmes, dénommés systèmes cyber-physiques, sont omniprésents et de plus en plus complexes. En effet, les fonctions qu'ils remplissent sont de plus en plus nombreuses et de plus en plus interconnectées ce qui conduit à des modifications profondes des processus de conception et de la façon de penser ces systèmes. Cette formation fournit les éléments scientifiques et techniques permettant d appréhender la conception des systèmes cyberphysiques sur tout son cycle de développement. Objectifs pédagogiques et scientifiques, en précisant les points forts de cette formation, les atouts professionnels,... pour l'étudiant Les systèmes cyber-physiques sont des systèmes où des éléments informatiques collaborent pour le contrôle et la commande d entités physiques. Cette définition révèle le caractère multidisciplinaire de ces systèmes pour lesquels la conception nécessite un nombre de savoirs et savoir-faire important. La formation proposée a pour particularité de refléter cette multidisciplinarité en donnant les bases scientifiques et techniques dans les domaines de l informatique, de l automatique, des mathématiques appliquées et de processus d ingénierie. Cette formation apporte aux étudiants les éléments nécessaires à la prise en compte des problématiques de sûreté de fonctionnement, des contraintes temps-réels, de vérification et validation. Une part de la formation est dédiée aux processus d ingénierie tel que l expression des besoins et l ingénierie des exigences, la modélisation d architecture et l analyse des performances au travers des outils de simulation. Débouchés professionnels

2 En termes de débouchés professionnels, cette formation vise à la fois les carrières industrielles (Ingénieur R&D de grands groupes) et académiques (Chercheur et Enseignant-Chercheur). Les métiers visés sont ceux, sans être exhaustif, d ingénieur logiciel, d ingénieur systèmes et réseaux, d ingénieur en automatique, d ingénieur en modélisation et simulation, d architecte systèmes et logiciels, d ingénieur qualité. : Ingénierie des Systèmes Complexes, Sûreté de fonctionnement, Logiciel embarqué, Systèmes de contrôle-commande, Modélisation, Simulation, Sémantique. A qui s'adresse la formation? Population d'étudiants visée Cette formation s adresse aux étudiants ayant un niveau M1 ou finissant une 2ème année d école d ingénieurs qui souhaitent approfondir leurs connaissances et développer une expertise forte dans le domaine de la conception des systèmes cyber-physiques ; ils doivent être attirés par la modélisation, les approches formelles et leur pratique sur des études de cas industrielles. Il peut s'agir d'étudiants qui se destinent à l'entreprise et qui veulent acquérir une expertise large, ou d étudiants qui veulent poursuivre sur la voie de la recherche (thèse de doctorat) ou avoir une initiation à la démarche de la recherche pour penser et agir différemment en entreprise. Prérequis demandés, formation antérieure, compétences,... Le contenu de la formation a été construit dans le souci de minimiser les prérequis spécifiques mais plutôt de s'appuyer sur une bonne formation scientifique de base. Une part des unités d'enseignement de tronc commun est destinée à assurer l'acquisition, ou le perfectionnement, des connaissances de base qui seront requises dans les unités d'enseignements plus spécialisées. Les étudiants recrutés peuvent aussi bien être issus d'une formation antérieure en informatique, en EEA, en physique ou en mathématiques appliquées par exemple. Toutes les candidatures seront examinées en fonction du dossier, mais aussi des motivations des étudiants pour la formation. Laboratoires associés à la formation ENSTA ParisTech Ecole polytechnique Télécom ParisTech CEA/INSTN CentraleSupélec

3 Tableau synthétique de la formation Intitulé des UE Etab. Heures ECTS Axe conception système Modélisation objet pour les François Terrier INSTN systèmes Ingénierie des exigences Sylvie Vignes Télécom ParisTech Architecture des systèmes Daniel Krob Ecole polyetchnique Sûreté de fonctionnement Thomas Robert Télécom ParisTech Axe modélisation Modélisation par graphes de liaisons Développement système en Modelica/Dymola Sylvain Chavanne Sherpa Eric Thomas Dassault Aviation Axe logiciel embarqué Modèle et génération automatique de code Alexandre Chapoutot ENSTA ParisTech Axe Commande Signaux et systèmes Modélisation et commande par représentation d'états Axe validation et vérification Cristina Stoica & Hugues Mounier Antoine Chaillet & Hugues Mounier CentraleSupélec CentraleSupélec Validation inductive de programmes et de systèmes Sylvie Putot Ecole polytechnique Anglais Scientifique Formation à la recherche ou à la vie d entreprise Stage de recherche en laboratoire ou en entreprise 30 60

4 Annexe 1 : Descriptif synthétique des UEs

5 Modélisation objet pour les systèmes Ce cours présente la norme UML et ses différents diagrammes en mettant l'accent sur le processus de développement orienté objet depuis l'expression de besoins jusqu'au déploiement des logiciels. Une étude de cas est menée tout au long du cours de manière à comprendre l'intérêt des différents diagrammes utilisés dans le processus de développement. Les principaux points abordés dans le cours sont les suivants : objectifs et principes d'un développement basé sur la réalisation de modèles objets (MDE/MDA) ; structure du langage UML ; capture et modélisation des exigences avec UML ; élaboration de modèles logiques structuraux et comportementaux ; conception d'architectures ; sous-systèmes, composants et objets actifs ; profils de conception (design patterns) ; conception UML détaillée. Dans une deuxième partie, le cours s'intéresse aux extensions d'uml type SysML. Ingénierie système, méta-modélisation, SysML, modélisation fonctionnelle, modélisation logique François Terrier, ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Français Lieu : INSTN Ingénierie des exigences En ingénierie, une exigence est un besoin documenté sur ce qu'un produit ou un service doit être ou faire. Les exigences sont ainsi un prérequis des phases de conception et de développement d'un projet. Ce cours comporte 2 parties : 1) présentation des méthodes et techniques permettant de rassembler, analyser et gérer les exigences. 2) mise en œuvre sur une étude de cas d'une méthodologie d'analyse des exigences pour produire la spécification rigoureuse de cahier des charges revisité Sylvie Vignes, ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Français Lieu : TPT Architecture des systèmes Ce cours traite des points suivants : introduction à l'analyse systémique : arborescence d'un système, couplage inter-systèmes, etc. ; notion de complexité d'un système ; typologie des principaux systèmes industriels : systèmes à logiciel prépondérant, systèmes contrôle-commande et systèmes technologiques ; études de cas ; méthodologies d'architecture système : architecture opérationnelle, fonctionnelle et organique, lien avec l'ingénierie des exigences ; mise en œuvre d'un projet de conception système. Daniel Krob, ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Français Lieu : Ecole polytechnique

6 Sûreté de fonctionnement Ce cours présente les concepts principaux de la sûreté de fonctionnement abordé sous un angle fortement mathématisé (systèmes de transition probabilisés). Il présente aussi de nombreuses études de cas pratiques. Thomas Robert ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Français Lieu : TPT Modélisation par graphes de liaisons L'objectif de ce cours est de présenter au travers de la technique des Bond Graph la modélisation multi-domaine. Ce type de modélisation repose sur le concept de la transformation de l'énergie. Une représentation graphique rend cette modélisation aisée et permet de générer des équations représentant la dynamique du système multidomaine modélisé ainsi. Sylvain Chavanne ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Français Lieu : ENSTA ParisTech Développement système en Modelica/Dymola L'objectif de ce cours est de présenter l'outil Modelica/Dymola qui est utilisé pour la conception de systèmes de contrôle-commande. Cet enseignment permet d'avoir une vue opérationnelle de la conception orientée objet de systèmes de contrôle-commande et de mettre en oeuvre les outils de simulation numérique permettant de valider les modèles. Modélisation acausale, Eric Thomas ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Français Lieu : ENSTA ParisTech

7 Modèle et génération automatique de code L objectif de ce cours est présenter les concepts fondamentaux de la conception dirigée par les modèles dans le cadre de la conception des systèmes de contrôle-commande avec génération automatique de code. Une présentation des outils Matlab/Simulink/Stateflow permettra d introduire les concepts de modélisation à flots de données et événementielles. Un parallèle avec l approche synchrone sera également fait, en particulier, en présentant l'outil ANSYS SCADE qui permet également la modélisation à flots de données et événementielle, avec la particularité d'être associé à un générateur de code qualifiable pour les systèmes les plus critiques. La problématique de la couverture de modèles sera également traitée. Langages synchrones, flot de données, systèmes à états. Alexandre Chapoutot ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Français Lieu : ENSTA ParisTech Signaux et systèmes Ce cours a pour but d'enseigner les fondements nécessaires à l'analyse des systèmes dynamiques. Il aborde la représentation fréquentielle des systèmes, les critères et marges de stabilité, la notion de bouclage, certaines lois de commande standard, la discrétisation de lois de commande, la représentation d'état et les notions de commandabilité et observabilité. LTI Cristina Stoica et Hugues Mounier ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Français Lieu : Ecole polyetchnique Modélisation et commande par représentation d'états Ce cours a pour but d'étudier les techniques de modélisation d'un système dynamique, les stratégies de commande et d'observation d'un système linéaire ou non-linéaire en représentation d'état, la commande de systèmes linéaires par retour d'état, l'analyse de l'impact de perturbations sur la stabilité, les problèmes posés par l'interconnexion de systèmes non-linéaires et la commande systèmes non-linéaires par platitude et modes glissants. Antoine Chaillet et Hugues Mounier ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Français Lieu : Ecole polytechnique

8 Validation inductive de programmes et de systèmes hybrides L'analyse statique de programmes consiste à vérifier statiquement (i.e. sans les exécuter) des propriétés dynamiques (à l'exécution) des programmes. Les classes de propriétés à vérifier sont très diverses comme la sûreté (par exemple l'absence d'erreurs à l'exécution), la vivacité (par exemple la garantie de réponse à un signal donné), la sécurité (par exemple la confidentialité d'informations traitées par un programme), etc. La grande difficulté pour démontrer automatiquement ces propriétés dynamiques réside dans le fait de trouver les bons arguments inductifs nécessaires pour en faire la preuve. Diverses solutions sont possibles : le demander à l'utilisateur (méthodes déductives), se restreindre à un modèle fini (vérification exhaustive) ou calculer l'argument inductif par approximation de la sémantique du programme (via des techniques d'approximation de point fixe de l'interprétation abstraite). Le cours explore cette dernière technique. La validation des systèmes embarqués critiques en constitue une application naturelle. Une difficulté qui apparait rapidement dans ce cadre est la nécessité de prendre en compte l'interaction du système avec son environnement physique. Les systèmes à valider sont alors hybrides, c'est-à-dire couplent des composantes discrètes et continues. Nous conclurons le cours par une ouverture sur la modélisation et l'analyse de tells systèmes. Sylvie Putot ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Français Lieu : Ecole polytechnique Anglais scientifique Cette UE a pour but de familiariser les étudiants avec l'anglais tel qu'il est utilisé dans le domaine de la recherche, tant à l'écrit qu'à l'oral. On insistera donc sur les spécificités de l'anglais scientifique, à travers des exemples tirés des domaines scientifiques du master. Le travail se fera à partir d extraits de conférences et sur des articles de recherche. ECTS : 2,5 Heures : 21 Langue : Anglaise Lieu : X