4.2 Concepts et Définitions
4.2.3 Physique
Définition 16:
La Physique d’une Entité Composable e, notée P hy(e), est l’application mathématique décrivant une connaissance : P hy(e) : D(Ne(e)1)×...×D(N e(e)Dim(N e(e)))×D(IS(e)1)×
... × D(IS(e)Dim(IS(e))) → D(P r(e)1) × ... × D(P r(e)Dim(P r(e))) × D(IS(e)1) × ... ×
D(IS(e)Dim(IS(e)))
Le choix sémantique du terme Physique provient de notre volonté, évoquée précédemment, de conserver la signification des phénomènes réels (i.e. physiques) qui peuvent se produire. Evidemment, la Physique d’un Atome peut tout aussi bien représenter une connaissance "abs- traite" (i.e. qui ne serait pas associée à un phénomène réel) telle que, par exemple, un traite- ment informatique.
4.2.4
Atomes
Définition 17:
Un Atome est une Entité Composable minimale et indivisible encapsulant un élément de connaissance. Etendant la définition d’une Entité Composable, un Atome est un 6-uplet (N om, Int, P hy, IntP ar, Ctrs, KD). On notera At l’ensemble des Atomes définis. Ctrs représente les Contraintes appliquées sur l’Atome et KD le Domaine de Connais- sance (Knowledge Domain) auquel appartient l’Atome.
La Figure 4.7 représente le modèle Unified Modeling Language (UML) d’un Atome.
Figure 4.7 – Modèle UML d’un Atome
4.2.5
Domaines de connaissance
Définition 18:
Le Domaine de Connaissance d’un Atome a est l’information permettant d’indiquer la provenance de la connaissance représentée par l’Atome. Il sera noté KD(a). Il s’agit d’une suite hiérarchisée de champs : (Domain1, ... , Domainn) où l’ensemble des valeurs
possibles pour Domaini dépend de la valeur de Domaini−1.
Les Domaines de Connaissance définis dans le cadre de nos travaux sont présentés dans la Figure 4.8. Cette liste sera étendue au fur et à mesure de l’ajout de connaissances avec de nouvelles sources.
4.2. Concepts et Définitions
Figure4.8 – Domaines de Connaissance définis
Les Domaines de Connaissance donnent des informations sur la provenance des connais- sances, le domaine auquel elles se rapportent ou encore permettent de savoir qui détient l’expertise dessus. Ces informations aident à une classification des Atomes permettant une lecture plus facile à l’utilisateur mais ne doivent impacter en aucune façon l’utilisation faite de ceux-ci. En effet, ces informations sont sujettes à interprétation et des connaissances se retrouvent souvent à l’interface entre plusieurs Domaines de Connaissance.
Considérons par exemple le modèle dynamique d’un robot sous-marin. Il décrit l’interaction entre le robot et son environnement lorsque celui-ci se déplace. Il s’agit donc d’une connaissance pouvant se rapporter tout aussi bien au domaine T echnology qu’au domaine Environment. Le choix de l’un ou l’autre dépend donc de l’interprétation faite par la personne ayant conçu l’Atome. Pour notre part, nous avons choisi de le rattacher au Domaine de Connaissance : Technology : :RobotModels car nous avons estimé que ce sont les roboticiens qui ont le plus l’habitude de l’utiliser et le plus de compréhension de ce modèle.
4.2.6
Contraintes
Définition 19:
Les Contraintes portant sur un Atome a, notées Ctrs(a), sont l’ensemble des informa- tions permettant de caractériser l’utilisation faite de l’Atome. De manière générale, une Contrainte est un couple (nature, propri´et´es), avec l’ensemble propri´et´es dépendant de nature. Actuellement deux ensembles de Contraintes existent : Contraintes de connexion et Contraintes temporelles.
Définition 20:
La Contrainte de connexion portant sur un Atome a, notée Ctco(a), est un ensemble de
Contraintes portant sur ses Besoins afin de déterminer s’il s’agit de Besoins Obligatoires (i.e. qui doivent toujours être connectés lorsque l’Atome est utilisé) ou Optionnels. Si la Contrainte est Optionnelle, on lui associe une propriété def ault qui contiendra la valeur par défaut attribuée au Besoin s’il n’est pas connecté. Aucune propriété n’est associée à une Contrainte Obligatoire.
Soit un Atome a. On a Dim(Ctco(a)) = Dim(N e(a)). On notera Ob(a) ⊂ N e(a) l’en-
semble des Besoins Obligatoires de a et Op(a) ⊂ Ne(a) l’ensemble des Besoins Option- nels.
On a les relations suivantes : N e(a) = Ob(a) ∪ Op(a) Ob(a) ∩ Op(a) = ∅ Définition 21:
La Contrainte temporelle portant sur un Atome a, notée Ctt(a), est un ensemble de
Contraintes portant sur ses Besoins, sa Physique et ses Produits. La Contrainte sur la Physique décrit les modalités temporelles de calcul de la Physique et de mise à jour de ses Produits. Les Contraintes sur les Besoins indiquent les modalités de rafraîchissement des valeurs des Besoins afin de s’assurer de la validité des calculs de la Physique. Soit un Atome a, on a Ctt(p) = Ctt(P hy(a)) ∀ p ∈ P r(a). Ainsi, on ne définira jamais
les Contraintes temporelles portant sur les Produits puisqu’elles sont toutes identiques à celles portant sur la Physique.
Le Tableau 4.1 présente les listes des natures et des propri´et´es des Contraintes tempo- relles portant sur les Besoins et le Tableau 4.2 présente celles portant sur la Physique.
Tableau 4.1 – Contraintes temporelles sur un Besoin Nature Propriété
Constant ∅
Sporadique ∅
Couplé ∅
Périodique TN eed
4.2. Concepts et Définitions
change plus (initialisation). Si un Besoin a une Contrainte de nature Sporadique, cela signifie que l’on ne sait pas quand sa valeur sera mise à jour.
Une nature Périodique signifie que le Besoin doit être mis à jour de manière périodique. TN eed définit l’ensemble des périodes de rafraîchissement possibles pour le Besoin. Enfin, une
nature Couplé indique que le Besoin doit être mis à jour avant chaque exécution de la Phy- sique si celle-ci est Périodique (voir Tableau 4.2). Cela entraîne un couplage temporel entre cet Atome et celui qui value le Besoin.
Tableau 4.2 – Contraintes temporelles sur la Physique Nature Propriété Constant ∅ Sporadique Csphy tcompmax texemax
Périodique tcompmax
Tphy
La nature Constant signifie que la Physique est exécutée une seule et unique fois.
Une Physique de nature Sporadique ne s’exécute que si certaines conditions sont réunies. Ces conditions, qui sont elles aussi des connaissances, sont représentées par une Entité Com- posable qui est identifiée par la propri´et´e Csphy. Sa structure est spécifique puisqu’elle doit
être telle que Dim(P r(Csphy)) = 1 et que son seul Produit est un booléen qui vaut vrai si la
Physique doit s’exécuter. Cette Contrainte permet ainsi de décrire des stratégies de contrôle telle que le contrôle hybride [HJT12]. En outre, la propri´et´e tcompmax sert à indiquer le pire
cas du temps de calcul de la Physique. texemax correspond au temps maximum autorisé pour
l’exécution de la Physique. Cette propri´et´e est notamment utilisée lorsque les Atomes servent à décrire des transitions entre des connaissances (voir Section 5.1.4 sur les Alternatives) et qu’il est dès lors nécessaire d’indiquer une borne supérieure sur le temps de transition, ce qui est possible via cette propri´et´e.
Enfin, une nature Périodique indique que la Physique doit s’exécuter à intervalles régu- liers. L’ensemble des périodes d’exécution possibles est défini par la propri´et´e Tphy. Dans le
cadre d’une équation de contrôle, il peut s’agir de l’ensemble de périodes pour lesquelles la stabilité du système contrôlé sera garantie. Pour un capteur, Tphy désignera les périodes de
la Physique dans le pire cas.
Intéressons nous maintenant à démontrer le point suivant de la Définition 21 : nous avons posé que pour un Atome a, on a Ctt(p) = Ctt(P hy(a)) ∀ p ∈ P r(a).
Supposons qu’il existe un Atome a, tel que l’on puisse diviser sa Physique en deux parties indépendantes P hy1(a) et P hy2(a) qui valuent respectivement deux sous-ensembles des Pro-
duits P r1(a) et P r2(a) et qui soient telles que Ctt(P hy1(a)) 6= Ctt(P hy2(a)). On aurait alors
Ctt(p) = Ctt(P hy1(a)) ∀ p ∈ P r1(a) et Ctt(p) = Ctt(P hy2(a)) ∀ p ∈ P r2(a).
Un tel Atome contreviendrait alors à la Définition 17 qui impose que les Atomes soient des entités indivisibles. Un tel Atome devrait donc être séparé en deux Atomes a1 et a2 tels que :
P hy(a1) = P hy1(a) et P r(a1) = P r1(a)
P hy(a2) = P hy2(a) et P r(a2) = P r2(a)
La Définition 21 peut donc s’appliquer à a1 et a2, séparément.
Définition 22:
Soit deux Atomes a1 et a2 et n et p tels que n ∈ Ne(a1) et p ∈ P r(a2). Les Contraintes
temporelles s’exerçant sur n et p sont dites compatibles, noté Ctt(p) ≡ Ctt(n), si et
seulement si elles ont des natures compatibles. Le Tableau 4.3 présente la liste des natures compatibles pour les Contraintes temporelles.
Tableau 4.3 – Natures compatibles de Contraintes temporelles dans le cadre de la liaison entre Atomes présentée Figure 4.9
Ctt(n) Ctt(p) = Ctt(P hy(a2)) Constant Constant Sporadique Sporadique Couplé Périodique Périodique Périodique Définition 23:
Soit deux Atomes a1 et a2 et n et p tels que n ∈ Ne(a1) et p ∈ P r(a2). Les Contraintes
s’exerçant sur n et p sont dites compatibles, noté Ctrs(p) ≡ Ctrs(n), si et seulement Ctt(p) ≡ Ctt(n).
4.2. Concepts et Définitions
Figure4.9 – Exemple de liaison entre Atomes et notation utilisée
Cette définition de la compatibilité de contraintes sera réutilisée plus tard dans le cadre de la description des liaisons entre Atomes (Section 5.1.1). En outre, elle n’intègre pas les Contraintes de connexion puisque celles-ci portent exclusivement sur les Besoins. Elles seront par contre utilisées dans le cadre de la vérification des assemblages d’Atomes.
4.2.7
Connaissances Externes
Lorsque l’on décrit une association de connaissances, comme c’est le cas pour une architec- ture de contrôle, le flux des informations n’est pas isolé du monde extérieur. Nos connaissances ont besoin d’interagir avec des entités externes à celles impliquées dans la commande décrite. Dans le cas de nos applications, il peut tout aussi bien s’agir de la valuation d’un paramètre par le concepteur de la loi de commande, de l’envoi d’une consigne via un lien de communication, d’un capteur effectuant des mesures ou de données à stocker, entre autres.
Le rôle des Connaissances Externes est donc de réifier ces points d’entrée ou de sortie de connaissances entre notre description et des éléments extérieurs comme illustré Figure 4.10
Figure4.10 – Les Connaissances Externes réifient les points d’interaction entre un contrôleur et les entités qui lui sont extérieures
Définition 24:
On définira une Physique P hy comme étant indéfinie si la connaissance encapsulée dans P hy n’est pas explicitement décrite. On le notera P hy = ∅.
Définition 25:
Une Connaissance Externe (External Knowledge) est un Atome dont la Physique n’est pas définie et qui sert à représenter des éléments faisant le lien entre le robot et le monde extérieur. L’ensemble des Connaissances Externes définies est noté EK ⊂ At.
On peut ainsi écrire :
a ∈ EK ⇐⇒ a ∈ At et P hy(a) = ∅
Le choix de ne pas décrire la Physique des Connaissances Externes provient de notre volonté de conserver une description d’un niveau d’abstraction suffisamment élevé pour qu’elle ne dépende pas de la cible d’implémentation. En effet, de par la spécificité de leur rôle, les éléments décrits par les Connaissances Externes nécessitent le recours à un driver (capteurs ou actionneurs par exemple) ou l’utilisation d’un protocole spécifique (lien réseau, structure d’un fichier de log) qui varient d’une cible d’implémentation à l’autre.
Expliciter l’utilisation d’un driver ou d’un protocole dans notre Physique obligerait donc à définir un Atome pour chacune de ces entités (par exemple un Atome par modèle de centrale inertielle) ce qui serait difficilement maintenable sur le long terme. En outre, certains équipe- ments nécessitent l’utilisation de différents modes (initialisation, lecture des données, mise en veille) de fonctionnement dans leur driver ce qui serait difficile à décrire avec la structure de nos Atomes.
4.3. Points clés du chapitre
4.3
Points clés du chapitre
Notre approche se structure autour de la notion de connaissance.
Celle-ci est hétérogène, amenée à évoluer dans le temps et provient de domaines d’étude très différents.
Nous proposons un formalisme de représentation de la connaissance autour d’entités l’encapsulant pour faciliter sa manipulation et son évolution.
Avec notre formalisme, toute association de connaissances est représentée comme une composition modulaire de ces entités.
La structure commune à ces entités est définie par les Entités Composables. Elle s’or- ganise autour d’une Physique qui encapsule les connaissances et d’une Interface qui permet de les manipuler de manière homogène.
Les différents Eléments d’Interface portent toutes les informations permettant de vé- rifier la cohérence des liaisons entre entités facilitant donc la détection et la correction des erreurs.
Les Atomes sont les entités de base. Ils portent également les Contraintes qui permet- tront de structurer notre logiciel de contrôle.
Le lecteur est également invité à se référer à l’Annexe A pour une illustration concrète et détaillée de ces différents concepts. Il peut également consulter l’Annexe D s’il souhaite découvrir comment ces concepts sont implémentés dans un langage orienté objet, le C++.
Compositions ou comment lier les
Atomes ensemble
Lors du chapitre précédent, nous avons présenté les Entités Composables de base de notre formalisme. Il s’agit des Atomes qui servent à encapsuler des éléments minimaux et indivisibles de connaissance. Mais évidemment pour décrire une architecture de contrôle, il ne s’agit plus de considérer chaque connaissance de manière isolée. Nous allons donc maintenant nous intéresser à la manière de composer les connaissances entre elles afin de décrire des architectures de contrôle. Nous montrerons aussi comment notre formalisme et les informations associées à nos Atomes qu’il s’agisse des Datatypes des éléments de leurs Interfaces ou des Contraintes vont nous permettre de vérifier la validité des compositions de connaissances ainsi décrites.
De plus, comme nous travaillons à un niveau de décomposition élevé, nos assemblages contiennent de nombreux Atomes. Dès lors, il est également important de disposer d’Entités Composables permettant d’utiliser des groupes d’Atomes déjà associés ensemble afin de mieux structurer nos assemblages tout en permettant de réutiliser plus aisément certains Atomes couramment associés. En outre, un robot, au cours d’une mission, peut devoir faire face à des situations variées nécessitant des réponses spécifiques (on peut notamment citer la ren- contre d’un obstacle, une panne ou encore un changement d’objectif de mission). Dès lors, un assemblage statique des connaissances n’est plus une solution utilisable. Il nous faut donc pouvoir décrire les modifications structurelles à apporter à nos assemblages de connaissances afin de les adapter à la situation rencontrée par le robot et décrire les conditions guidant le choix de la structure adéquate. Ces entités vont ainsi nous permettre d’intégrer des concepts issus du contrôle avec commutation (voir Section 2.2.1) dans nos assemblages d’Atomes. Nous présenterons ainsi les Entités Composables proposées pour répondre à ces besoins.
Une illustration concrète et détaillée de ces différents concepts est proposée dans l’An- nexe B. Leur implémentation est également décrite dans l’Annexe D. Le lecteur est donc invité
5.1. Compositions entre Atomes et entités structurantes
à se référer à ces deux annexes pour une présentation plus approfondie de notre formalisme.
Figure 5.1 – Aspects de la méthodologie abordés dans le chapitre 5
5.1
Compositions entre Atomes et entités structurantes
Nous allons ici présenter les entités et concepts qui, dans notre formalisme, permettent de décrire et structurer tout assemblage de connaissances.