Methodological and operational framework for the validation and improvement of Cyber-Physical and Human Systems based on modelling and simulation - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Methodological and operational framework for the validation and improvement of Cyber-Physical and Human Systems based on modelling and simulation

Cadre méthodologique et opérationnel pour l'apprentissage, la validation et l'amélioration des Systèmes Cyber-Physiques et Humains basé sur la modélisation et la simulation

Résumé

Until the middle of the 20th century, it was assumed that technology should be considered independently and humans (with mental and social conditions) should follow the given technical structures. In the second half of the 20th century, the intertwining of social and technological systems led to the birth of a new ecosystem called the "socio-technic." The socio-technical approach developed the idea that humans and technology should be considered as a unified system. The revolution of Cyber-Physical Systems in the 21st century and their growing interactions with humans reinforced the need for the socio-technical approach. So, it gave rise to the new concept of intelligent systems, the so-called Cyber-Physical and Human systems (CPHS). The study, design, and development of such systems are complex and require immense effort. Modelling and simulation (M&S) are recognized as practical and effective tools to help decision-makers, designers, and developers. Despite the advantages of M&S for CPHS, there are significant challenges for modellers. Because they commonly are not acquainted with the nature of merging socio-technical environments and do not know what to model and how. The present thesis involves drawing appropriately from several disciplines to take advantage and integrate the theories and methods from engineering, computer, human, and social science to pave the way for modellers. Starting with an extensive analysis of the concepts, terminology, and application areas of CPHS, this thesis proposes a three-layer framework including a Purpose-Centric Layer, a Behaviour-Centric Layer, and an Execution-Centric Layer to assist modellers in understanding, modelling, and developing executable models of CPHS. In the Purpose-Centric Layer, we propose a Generic Purpose-Centric model based on activity theory to study CPHS as a socio-technical system and make an initial conceptual model. In the Behaviour-Centric Layer, we propose a Generic Behaviour-Centric Model to bridge the CPHS conceptual model with a specification of its corresponding simulation model, using an extended form of the Belief-Desire-Intention architecture and the High-Level Language for Systems Specification formalism. In the Execution-Centric Layer, we propose a Generic Execution-Centric Model which implements the CPHS simulation model in relation to its experimental frame. The framework is showcased with an intelligent manufacturing system. This work is not intended for one specific application domain of CPHS and can be used for extensive CPHS applications from health, manufacturing, and transport systems to emergency systems.
Jusqu'au milieu du XXe siècle, la conception technologique n’intégrait pas assez la dimension humaine notamment dans les aspects concernant les conditions mentales et sociales. Dans la seconde moitié du XXe siècle, l'imbrication des systèmes sociaux et technologiques a conduit à la naissance d'un nouvel écosystème appelé le « sociotechnique ». L'approche sociotechnique a développé l'idée que l'homme et la technologie doivent être considérés comme un système unifié. La révolution des Systèmes Cyber-Physiques au 21ème siècle et leurs interactions croissantes avec les humains ont renforcé la nécessité de l'approche sociotechnique. Ainsi, elle a donné naissance au nouveau concept de systèmes intelligents, connus sous le nom de Systèmes Cyber-Physiques et Humains (SCPH). L'étude, la conception et le développement de tels systèmes sont complexes et nécessitent d'immenses efforts. La modélisation et la simulation (M&S) sont reconnues comme des outils pratiques et efficaces pour aider les décideurs, les concepteurs et les développeurs. Malgré les avantages du M&S pour le SCPH, les modélisateurs sont confrontés à des défis importants. Parce qu'ils ne connaissent généralement pas la nature de la fusion des environnements sociotechniques et ne savent pas quoi modéliser et comment. La présente thèse consiste à puiser de manière appropriée dans plusieurs disciplines pour tirer parti et intégrer les théories et les méthodes issues de l'ingénierie, de l'informatique, des sciences humaines et sociales pour aider les modélisateurs. Commençant par une analyse approfondie des concepts, de la terminologie et des domaines d'application du SCPH, cette thèse propose un framework à trois couches comprenant une couche centrée sur l'objectif, une couche centrée sur le comportement et une couche centrée sur l'exécution pour faciliter la compréhension, la modélisation et le développement de modèles exécutables de SCPH. Dans la couche centrée sur l'objectif, nous proposons un modèle générique objectif-centré basé sur la théorie de l'activité pour étudier le SCPH en tant que système sociotechnique et créer un modèle conceptuel initial. Dans la couche centrée sur le comportement, nous proposons un modèle générique comportement-centré pour relier le modèle conceptuel SCPH à la spécification d’un modèle de simulation correspondant, en utilisant une forme étendue de l'architecture Croyance-Désir-Intention et un langage de haut niveau pour la spécification des systèmes. Dans la couche centrée sur l'exécution, nous proposons un modèle générique exécution- centré qui implémente le modèle de simulation SCPH en relation avec son cadre expérimental. Le framework est mis en œuvre sur un système de fabrication intelligent. Ce travail n'est pas destiné à un domaine d'application spécifique du SCPH et peut s’appliquer à plusieurs domaines allant des systèmes de santé, aux systèmes manufacturiers et aux systèmes de transport.
Fichier principal
Vignette du fichier
POURSOLTAN_MILAD_2023.pdf (4.01 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04094941 , version 1 (11-05-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04094941 , version 1

Citer

Milad Poursoltan. Methodological and operational framework for the validation and improvement of Cyber-Physical and Human Systems based on modelling and simulation. Automatic Control Engineering. Université de Bordeaux, 2023. English. ⟨NNT : 2023BORD0097⟩. ⟨tel-04094941⟩
131 Consultations
85 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More