Exploration of Direct Synchronization Approaches for a High-Level and Unified Simulation of Discrete-Event/Continuous-Time Systems
Exploration des approches de synchronisation directes pour la simulation unifiée et de haut niveau des systèmes continus/discrets
Résumé
Current integrated cyber-physical systems combine digital and analog components that interact and create complex system behavior. The digital components can be hardware and software; the analog components can be electrical, mechanical, etc. Their integration has safety-critical applications in aerospace, automotive, defense, and other industries. Designers must assure safe and predictable functioning within constrained design budgets and short time-to-market intervals. To this end, they rely on modeling and simulation.However, cyber-physical system simulation is prone to accuracy and speed problems. The simulation of digital components is based on discrete events (DE) and it progresses by discrete timesteps. The simulation of analog components is based on continuous-time (CT) differential equations and it progresses in a time continuum. Despite different time representations, data must be transmitted between both domains at precise instants (synchronization). One solution is fixed-step synchronization, which occurs at regular and statically user-defined timesteps. But it raises a dilemma: either the timestep is small, the simulation accurate but slow, or the timestep is large, the simulation possibly inaccurate, but fast. CT/DE synchronization has a vast impact on simulation accuracy and speed.The purpose of this thesis is to accelerate the simulation of combined CT/DE models. To this aim, we propose a sequential direct CT/DE synchronization algorithm that makes the CT and DE domains interact by events. Synchronization takes place only at the event notification times, preserving accuracy and improving speed when compared to fixed-step approaches.However, direct synchronization increases the modeling costs: it requires the CT components to communicate only by events. To address this issue, we also propose a modeling interface that can be automatically defined by a CT model of computation. This enables designers to specify models only by interconnecting primitives. Some primitives can consume and generate events. Such models take a graphical representation form, e.g., electrical circuits, and simulate on top of our algorithm with high accuracy and speed.Last, based on our sequential approach, we propose a parallel direct CT/DE synchronization algorithm for the simulation of models containing multiple CT components. Our solution groups these components, synchronizes their execution, and simulates them in parallel. It improves simulation speed when compared to our sequential algorithm, which already shows an important speed-up when compared to fixed-step approaches.Combined CT/DE modeling and simulation with high accuracy and speed is an aid to the design of high confidence and performant complex cyber-physical systems while maintaining short design cycles and reduced costs.
Les systèmes cyber-physiques intégrés actuels combinent des composants numériques et analogiques qui interagissent et permettent de créer des comportements de systèmes complexes. Les composants numériques peuvent être matériels et logiciels tandis que les composants analogiques peuvent être électriques, mécaniques, etc. Leur intégration a des applications critiques pour la sécurité dans l'aérospatiale, l'automobile, la défense et d'autres industries. Les concepteurs doivent assurer un fonctionnement prévisible dans le cadre de budgets de conception limités et de courts intervalles de mise sur le marché. À cette fin, ils s'appuient sur la modélisation et la simulation.Cependant, la simulation de systèmes cyber-physiques est sujette à des problèmes de précision et de vitesse. La simulation des composants numériques est basée sur des événements discrets (ED) et elle progresse par pas de temps discrets. La simulation de composants analogiques est basée sur des équations différentielles en temps continu (CT) et progresse dans un continuum temporel. Malgré des représentations temporelles différentes, les données doivent être transmises entre les deux domaines à des instants précis (synchronisation). Une solution est la synchronisation à pas fixe, qui se produit à des pas de temps réguliers et statiquement définis par l'utilisateur. Mais cela pose un dilemme : soit le pas de temps est petit, la simulation précise mais lente, soit le pas de temps est grand, la simulation peut-être imprécise, mais rapide. La synchronisation TC et ED a un impact considérable sur la précision et la vitesse de la simulation.L'objectif de cette thèse est d'accélérer la simulation de modèles combinés en TC et à ED. Dans ce but, nous proposons un algorithme de synchronisation séquentielle directe CT/DE qui fait interagir les domaines TC et ED par événements. La synchronisation n'a lieu qu'aux moments de notification des événements, préservant la précision et améliorant la vitesse par rapport aux approches à pas fixes.Cependant, la synchronisation directe augmente les coûts de modélisation : elle oblige les composants en TC à communiquer uniquement par événements. Pour répondre à ce problème, nous proposons également une interface de modélisation qui peut être définie automatiquement par un modèle de calcul en TC. Cela permet aux concepteurs de spécifier des modèles uniquement en interconnectant des primitives dont certaines gèrent la communication par événements. De tels modèles prennent une forme de représentation graphique, par exemple, sous forme de circuits électriques, et sont simulés sur notre algorithme avec une précision et une vitesse élevées.Enfin, sur la base de notre algorithme séquentiel, nous proposons un algorithme parallèle pour la simulation de modèles combinés contenant plusieurs composants en TC. Notre solution regroupe ces composants, synchronise leur exécution et les simule en parallèle. La vitesse de simulation est améliorée par rapport à notre algorithme séquentiel, qui fournit déjà une accélération importante par rapport aux approches à pas fixes.La simulation en TC et à ED avec une précision et une vitesse élevées est une aide à la conception de systèmes cyber-physiques complexes hautement fiables et performants.
Origine : Version validée par le jury (STAR)