Ingénierie Système et langage SYSML

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1 PSI*- MP* 19/03/15 Lycée P.Corneille Sysml.doc Page1 Ingénierie Système et langage SYSML 1 Ingénierie Système Concevoir un produit. Pour qui et pour quoi? Le client au centre du processus de conception Cahier des charges fonctionnel (CdCF) Concevoir un produit. Comment? Le langage SysML pour modéliser et communiquer Intoduction Diagramme d exigence (requirement diagram req) Diagrammes comportementaux Diagramme des cas d utilisation (use case uc) Diagramme de séquence (Sequence Diagram sd) Diagramme d états (State Machin Diagram stm) Diagrammes structurels Diagramme de contexte Diagramme de définition de blocs (block definition diagram bbd) Diagramme de blocs internes (internal block diagram ou ibd) Bibliographie : ANNEXE : Relation et éléments d association... 19

2 Page 2 1 Ingénierie Système L Ingénierie Système est la démarche de conception des systèmes complexes en entreprise. L aspect pluri-technique de tels systèmes implique : La participation de spécialistes de cultures différentes : il faut donc des outils de communications communs : le langage SysML est un de ces outils. Les délais de conception courts nécessitent un travail parallèle des équipes, ce qui rend difficile la mise en place d une organisation du travail efficace. Les inter-relations entre les composants et les performances à atteindre nécessitent une adaptation permanente des paramètres. L ingénierie système doit considérer le produit lors de toutes les étapes de son cycle de vie (conditionnement, maintenance, recyclage ). Cycle de vie d un produit 1.1 Concevoir un produit. Pour qui et pour quoi? Le client au centre du processus de conception. La démarche de conception a pour objectif non de concevoir un produit en espérant un hypothétique client, mais de satisfaire le client en proposant un produit qui lui convient. Le client est au centre des priorités et le produit n est qu un moyen. Dans la démarche de conception, il faut dès le début répondre à la question «le client a besoin de» «Un besoin est une nécessité ou un désir éprouvé par un utilisateur» (NF X ). Le client est sensible à l évolution du contexte économique, social et environnemental ainsi qu au degré d innovation, le besoin évolue donc constamment. Exemple : le vélo à assistance électrique.

3 Page Cahier des charges fonctionnel (CdCF). Notion de Fonction : Le système technique assure une fonction de service globale en agissant sur une ou plusieurs matières d œuvre afin de créer une valeur ajoutée. Une fonction est énoncée avec un verbe d action à l'infinitif (déplacer, traiter, acquérir, transformer, etc.) parfois suivi d un complément. La matière d œuvre est un élément d'entrée sur lequel s'exercent les activités du système. Elle peut être de différents types, c est le triptyque Matière / Information / Energie. Une des premières étapes de conception consiste donc à définir précisément ce que le client attend du produit afin que la solution technique conçue, produite et mise en vente au final corresponde au maximum à ses attentes. La définition de l attente du client est formalisée dans un document normalisé appelé cahier des charges fonctionnel (CDCF) et formalisant les attentes du client. Ce document: formalise les responsabilités du demandeur et du concepteur. contribue à l obtention de la qualité. est constitué : d une présentation générale du projet : marché, contexte du projet, objectifs, énoncé du besoin, environnement du produit, etc. d une expression fonctionnelle du besoin : Cette partie fondamentale décrit et définit les différentes fonctions de service du produit ainsi que les contraintes et les critères d appréciation qui y sont associés. Il doit aussi apparaître, associées à ces critères, des spécifications permettant de fixer le niveau d exigence requis, correspondant le plus souvent à une grandeur mesurable. Dans la mesure du possible, il est conseillé d ajouter une indication de la flexibilité pour les niveaux d exigence, soit sous une forme symbolique à niveaux (0 : impératif ; 1 : peu négociable, 2 : négociable, 3 : très négociable), soit sous une forme numérique ou explicite, avec des limites : les flexibilités permettent à l ingénieur de créer un système moins contraint, donc moins cher. Les informations sont le plus souvent réunies sous la forme d un tableau tel que celui ci-après

4 Page Concevoir un produit. Comment? Le Processus de conception utilise une méthode classiquement répandue dans le milieu industriel : le «cycle en V». Le cycle en V décline deux phases dans la conception : Dans la phase descendante (à gauche), le problème global est morcelé en sous problèmes et des choix technologiques sont proposés, ce qui aboutit à la définition de chaque composant. Dans la phase ascendante (à droite), la solution technique précise est vérifiée à l aide de calculs numériques ou d essais expérimentaux, d abord localement puis au sein d ensemble plus globaux, jusqu au produit final. À chaque étape, si les tests de validation sont négatifs, il y a itération, c est-à-dire modification des paramètres de la solution technique et test à nouveau. Cette démarche permet de diviser le système complexe en sous-composants, en définissant clairement le périmètre de chaque composant et ses contraintes visà-vis de son environnement. Il est ainsi possible aux équipes de travailler en parallèle au niveau inférieur du «V» et assurer la cohérence dans les phases d intégration des composants car les itérations aux niveaux hauts sont beaucoup plus coûteuses que les itérations aux niveaux bas. Processus de conception dit «en V»

5 Page 5 2 Le langage SysML pour modéliser et communiquer 2.1 Intoduction L ensemble des acteurs intervenant dans les phases de vie d un système technique devant travailler en commun malgré leur culture initiale différente, il est devenu nécessaire de disposer d un langage commun unique. SysML est l acronyme de Systems Modeling Language, il est dérivé d un autre langage utilisé par les informaticiens l UML (Unified Modeling Système). Il s articule autour de 9 diagrammes permettant d aborder 3 points de vus différents et complémentaires. Seules 7 de ces diagrammes sont au programme des CPGE scientifiques. Vous devrez apprendre à les lire, à en extraire les données importantes et à les expliquer. au programme des CPGE Positionnement des diagrammes dans le langage SysML ainsi que leurs indicateurs 2.2 Diagramme d exigence (requirement diagram req) «Quelles sont les exigences auxquelles le système doit répondre?» L objectif de ce diagramme est de recenser toutes les exigences auxquelles le système doit se plier. Une exigence permet de spécifier une capacité ou une contrainte qui doit être satisfaite par un système. Elle peut spécifier une fonction que le système devra réaliser ou une condition de performance, de fiabilité, de sécurité, etc. Les exigences servent à établir un contrat entre le client et les réalisateurs du futur système. On illustrera les différents diagrammes sur le systéme simple suivant : Balance Halo

6 Page 6 Remarques : Les exigences peuvent être de natures différentes : «Exigences marketing» ; «Exigences fonctionnelles» ; «Exigences environnementales» ; «Exigences techniques» ; «Exigences Øconomiques» ; Voir les relations et éléments d association en annexe.

7 Page Diagrammes comportementaux Diagramme des cas d utilisation (use case uc) "Quels services rend le système?" Ce diagramme permet de représenter les fonctionnalités ou services attendus par le système du point de vue de l acteur, donc d un point de vue extérieur. Précisions sur les acteurs : un acteur représente un rôle qui peut être tenu par un humain ou n importe quel autre système. Il indique avec quoi le système sera en interaction. Par conséquent, c est un élément déjà présent lorsque le produit est installé. Un acteur non humain sera présent s il échange avec le système (matière information ) lui peut être représenté graphiquement par un cadre : «Actor» Diagramme de séquence (Sequence Diagram sd) "Comment est réalisé ce cas d'utilisation? " Décrit les scénarios correspondant aux cas d'utilisation, un cas d'utilisation est décrit par au moins un diagramme de séquence. Montre les interactions entre différents éléments d'un point de vue séquentiel, enchaînement et nature des échanges. activité Ecoulement du temps Ligne de vie associée à chaque bloc

8 Page 8 Diagramme de séquence associé au cas d utilisation de la balance Raffinements possibles Opt : ce qui est contenu dans le cadre est fait si la condition entre crochet est vérifiée. Loop : répète le contenu du cadre tant que la condition est vérifiée. Alt : ce qui est contenu dans le premier cadre est fait si la condition entre crochet est vérifiée sinon c est le contenu du second. Ref : permet d intégrer un diagramme de séquence dans un autre diagramme de séquence. Par : permet de lancer deux séquences en parallèle.

9 Page 9 Exemple d un radio réveil avec contrainte temporelle

10 Page Diagramme d états (State Machin Diagram stm) "Comment représenter les différents états du système?" Les états sont encadrés, les évènements sont représentés avec des flèches et un texte les décrit. Les transitions sont liées aux évènements et sont réalisées lorsque les évènements associés ont lieu. Le point de départ est un point noir extérieur aux états, le point de fin est un point noir entouré d un cercle noir. Etat: Un état représente une période de la vie du système, pendant laquelle il accomplit une ou plusieurs actions, ou attend un (ou des) événement(s). Cet état peut être actif ou non ; Il n y a qu un seul état actif à un instant donné, sauf dans le cas des sous-états «parallèles» (voir plus loin). Il est symbolisé ainsi: Remarque: en plus de la succession d états «normaux» correspondant au comportement du système, le diagramme d états comprend également deux pseudo-états : - l état initial symbolisé ainsi: - l état final (Il est possible d utiliser plusieurs états finaux) symbolisé ainsi: Activité et action: Une activité peut être considérée comme une tâche à réaliser. Une activité prend un certain temps et peut être interrompue. On peut la trouver au sein d'un état et est spécifiée par le mot clé "do". Une action est également une unité de comportement. La différence est qu'une action ne prend pas de temps (considérée instantanée) et ne peut pas être interrompue. On peut la trouver au sein d'un état et est spécifiée par le mot clé "entry" ou "exit". Exemples: activité: ouvrir une porte, sortir une tige de vérin, accélérer une charge action: émettre un ordre à un pré-actionneur, incrémenter une variable, etc... Evénements: Spécification d une occurrence qui peut déclencher une réaction du système (un événement possède une localisation dans le temps, c est en générale un front montant). Exemples: - appuis sur un bouton, - détection d'un objet, - changement d une variable interne when (N=10), - comptage du temps after (90s) ou at(10:00). fait à l activation de l état fait tant que l état est actif (durée) fait à la désactivation de l état appui sur le bouton marche 1 0 événement = mise en route transition associée à l'événement «mise en route

11 Page 11 Transition: une transition décrit la réaction d un système lorsqu un événement se produit. Elle traduit le passage instantané d un «état source» vers un «état destination». En règle générale, une transition possède un événement déclencheur, éventuellement une condition de garde et une action. événement [condition]/action Principe : - La transition n est évaluée que si l état source est actif ; - La transition n est franchie que si l événement est vrai et si la condition est vraie ; - L activité do de l état source est stoppée (les actions entry et exit sont toujours executées) - L action (lorsqu elle est présente) est exécutée pendant le franchissement Une transition est dite automatique si elle n est déclenchée par aucun événement. Dans ce cas, c est la fin de l activité de l état source qui déclenche la transition. Il est donc nécessaire que cette activité ait une fin Une transition réflexive est une transition où état source et état destination sont identiques Si évènement1 apparait, l état9 reste actif, mais l activité2 est interrompue, l activité3 est exécutée puis lorsqu elle est terminée, l activité1 se réalise et enfin de nouveau l activité2 Condition: une condition (ou condition de garde) est une expression booléenne qui doit être vraie lorsque l événement arrive pour que la transition soit déclenchée. Elle se note entre crochets. Remarques : - Il est possible d'utiliser les notations front montant ou descendant dans une condition (pas dans les événements qui sont par nature des changements de niveau de la variable). - Précisons que si ni Cond1 ni Cond2 ne sont vraies, l événement 1 est «perdu», et que si les deux conditions sont vraies simultanément, le diagramme est dit «non-déterministe» et on ne peut savoir dans quel état le bloc passera. Cette situation est a proscrire. Donc plusieurs transitions avec le même événement doivent avoir des conditions de garde non vraies simultanément. Soit Cond1.Cond2=0

12 Page 12 Synthèse sur l évolution d un état événement [condition] état 1 état 2 L état 1 est actif, à l occurrence de l événement la transition est franchie uniquement si la condition est vraie. L éventuelle activité est interrompue. événement état 1 état 2 L état 1 est actif, à l occurrence de l événement la transition est franchie et l éventuelle activité associée à Do/ est interrompue (pas les actions associées à Entry et Exit). [condition] état 1 état 2 M risque de blocage! L état 1 est actif, en l absence d événement explicite, c est la fin de l activité de l état 1 qui déclenche l évaluation de la condition. L activité doit donc ne pas être continue mais avoir un début et une fin Si la condition est vraie la transition est franchie. Sinon on reste bloqué!. état 1 état 2 M risque de blocage! L état 1 est actif, la transition est automatiquement franchie à la fin de l éventuelle activité. L activité doit donc ne pas être continue mais avoir un début et une fin. Etat composite ou super-état: un état composite (aussi appelé super-état) contient un diagramme d état détaillant son fonctionnement séquentiel. - L activation de l état composite entraîne l activation du pseudo-état initial. (rond noir) - La désactivation de l état composite (ici évènement stop) entraîne la désactivation de l état actif (ici état4 ou état5) : l état composite est donc hiérarchiquement supérieur à l automate fini qu il contient. - Chaque sous-état peut aussi être un état composite et ainsi de suite On peut ainsi factoriser des transitions déclenchées par le même événement et amenant vers le même état cible (comme power_on ou power_off dans l exemple), tout en spécifiant des transitions particulières entre les sous-états.

13 Page 13 Exemple: diagramme d'état d'un radioréveil Le diagramme d'états de la figure 4 fait apparaître des sous-états au sein de l'état "Radio Auto". Pour plus de lisibilité et de confort, il est recommandé lorsque le diagramme se complexifie, d'utiliser les états composites, comme illustré en figure 5. diagramme d'états d'un radioréveil nécessitant la décomposition des sous états au sein de l'état "radio AUTO" Figure 5: utilisation de l'état composite puis description de celui dans un autre diagramme

14 Page 14 Structure parallèle (état orthogonal): Un état composite peut contenir plusieurs régions, il suffit graphiquement de le séparer par des traits pointillés. Elle contient ses propres états et ses propres transitions. Les régions évoluent en parallèle et indépendamment. Dans l exemple ci-dessus, à partir de l état E1, quand l événement ev1 arrive, l élément passe dans l état composite E2. Cela signifie qu il est à la fois dans les états disjoints E31 et E41. Ensuite, suivant l ordre d arrivée des événements ev2, ev3 ou ev4, chaque région va évoluer indépendamment. Pour passer à l état E5, il faudra que l élément soit à la fois dans E32 et E43 quand ev5 arrivera. Compléments : dans l illustration ci-dessous sont également présentes deux régions en parallèle. La sortie de l état orthogonal se fait dès que toutes les régions ont atteint leur état final (équivalent à la représentation précédente). Notons aussi deux nouveaux pseudo état : Pseudo état de jonction : à chaque jonction une et une seule des conditions doit être vraie. Etat 1 Etat 2 événement 1 événement 2 [cond1] [cond2] Etat 5 Etat 6

15 Page 15 Pseudo état de choix : Un point de décision possède une entrée et au moins deux sorties. A chaque choix une et une seule des conditions doit être vraie. Pseudo état historique : Cet état est associé à un état composite H. Il permet de mémoriser l état qui était actif au même niveau hiérarchique au moment où l état composite a été désactivé. Lorsque ce pseudoétat devient actif, on reprend donc là où on en était dans l état composite. Etat historique H* profond : Similaire au précédent, mais réactive les états qui étaient actifs quelque soit leur niveau hiérarchique.

16 Page Diagrammes structurels Diagramme de contexte "Quels sont les acteurs et éléments environnants du système? " Ce diagramme devra bien sûr faire apparaître tous les acteurs intervenants dans le diagramme de cas d'utilisation, mais il fera aussi apparaitre les différents acteurs ou éléments intervenant dans une exigence Diagramme de définition de blocs (block definition diagram bbd) "Qui contient quoi?" Le bloc SysML (block) constitue la brique de base pour la modélisation de la structure d un système. Il peut représenter un système complet, un sous-système ou un composant élémentaire. Le bloc permet de décrire également les flots qui circulent à travers un système. Les blocs sont décomposables et peuvent posséder un comportement. On peut s en servir pour représenter des entités physiques, mais aussi des entités logiques ou conceptuelles. Le bbd permet de décrire : les caractéristiques structurelles grâce aux propriétés structurelles ;

17 Page 17 les caractéristiques comportementales par le biais des fonctions ; les relations entre blocs. On retrouve dans ce diagramme principalement les relations de composition et d agrégation (cf annexe). Avec le formalisme SysML, on peut associer à un bloc des propriétés (properties) structurelles et comportementales : valeurs (values) : caractéristiques avec valeur, dimension, etc. ; parties (parts) : sous-ensembles inclus obligatoirement ; fonctions (operations) : fonctionnalités disponibles. Les requêtes peuvent alors être synchrones (l émetteur attend un retour pour poursuivre), ou asynchrone (pas d attente de retour) ; ports (ports) : ils permettent de montrer des interactions bidirectionnelles ou unidirectionnelles, services (interfaces) ou flux (flow) physiques Diagramme de blocs internes (internal block diagram ou ibd) «Quels sont les échanges (ou flux) au sein du système» Permet de représenter les échanges de matière/information/énergie entre blocs de même niveau grâce à des connecteurs via des ports (petit carré). Les ports «standard» : ce type de port autorise la description de services logiques entre les blocs. L information est de type Tout Ou Rien. Les ports de type «flux» : sont soit atomiques (une seule nature de flux), soit composites (agrégation de flux de natures différentes).

18 Page 18 3 Bibliographie : P. ROQUES. SysML par l exemple. Edition Eyrolles 2009, 216p GERARD COLOMBARI, JACQUES GIRAUD. Sciences Industrielles pour l Ingénieur (première année). Edition Foucher 2013, 359p Collectif d auteurs. Sciences industrielles de l'ingénieur MPSI-PCSI-PTSI. Edition Vuilbert 2013, 528p

19 Page 19 4 ANNEXE : Relation et éléments d association Les relations : A B Association : relation d égal à égal entre 2 éléments. A utilise B - 3 diagrammes : cas d utilisation, définition des blocs, blocs internes. Dépendance : l un des deux éléments dépend de l autre. A dépend de B - 3 diagrammes : cas d utilisation, exigences, définition des blocs. Agrégation : Un élément est une composante facultative d un autre. A entre dans la composition de B sans être indispensable à son fonctionnement. - 2 diagrammes : exigences, définition des blocs. Composition : Un élément est une composante obligatoire de l autre. A entre dans la composition de B et lui est indispensable à son fonctionnement. - 2 diagrammes : exigences, définition des blocs. Généralisation : Dépendance de type filiation entre 2 éléments. A est une sorte de B. - 3 diagrammes : exigences, définition des blocs, blocs internes. Conteneur : relation d inclusion entre 2 éléments. B contient A - 2 diagrammes : exigences, définition des blocs. Les éléments d association : Extend Include Derive DeriveReqt Satisfy Verify Refine Le cas d'utilisation source est une extension possible du cas d'utilisation destination Le cas d'utilisation source comprend obligatoirement le cas inclus Une ou plusieurs exigences sont dérivées d'une exigence Permet de relier une exigence d'un niveau général à une exigence d'un niveau plus spécialisée mais exprimant la même contrainte Un ou plusieurs éléments du modèle permettent de satisfaire une exigence Un ou plusieurs éléments du modèle permettent de vérifier et valider une exigence Consiste en l ajout de précisions Exemple sur un cas d utilisation :