An Architecture-based Approach for Change Impact Analysis of Software-intensive Systems

A main property of software-intensive technical systems is sustainability. Sustainable systems need to change continuously. A change to a system element can result in further changes to other system elements. If these elements originate from different domains, the change can also propagate between several domains. This book presents an architecture-based approach to change propagation analysis of software-intensive technical systems that considers heterogeneous elements from different domain

An Architecture-based Approach for Change Impact Analysis of Software-intensive Systems

Die vorliegende Dissertation präsentiert eine automatische domänenübergreifende Wartbarkeitsanalyse basierend auf der Architektur der Systeme, in deren Entwicklung und Evolution verschiedene Domänen zusammenarbeiten müssen. Eine der integralen Eigenschaften software-intensiver technischer Systeme ist ihre Langlebigkeit. Langlebige Systeme unterliegen kontinuierlichen Anpassungen aufgrund externer Änderungen, wie Änderungen ihrer Umgebung, oder auch interner Änderungen, wie zum Beispiel Fehlerbeseitigungen. Die Eigenschaft des Systems, die angibt, welcher Aufwand erforderlich ist, um ein System gemäß eines gegebenen Änderungsszenarios zu ändern, wird als Wartbarkeit bezeichnet. Somit ist Wartbarkeit ein wichtiges Qualitätsattribut langlebiger Systeme. Eine initiale Änderung an einem Element im System kann weitere Änderungen an anderen Systemelementen zur Folge haben. Stammen die betroffenen Systemelemente aus mehreren Domänen, wie zum Beispiel aus den Domänen der Informationssysteme, Geschäftsprozesse oder automatisierten Produktionssysteme, können sich die Änderungen auch über mehrere Domänen hinweg mit Abhängigkeiten in alle Richtungen ausbreiten. Ein automatisiertes Produktionssystem kann zum Beispiel aus mechanischen und elektrischen Bauteilen, sowie Steuerungssoftware bestehen. Eine Änderung an mechanischen und/oder elektrischen Bauteilen, wie zum Beispiel Sensoren, kann zu Folgeänderungen in der entsprechenden Steuerungssoftware führen. Zudem gibt es viele unterschiedliche Möglichkeiten, wie eine Änderungsanfrage in einem System umgesetzt werden kann. Verschiedene Möglichkeiten zur Umsetzung einer Änderungsanfrage können zu verschiedenen Änderungsaufwänden, sowie unterschiedlichen Systemen bezüglich ihrer Qualitätsattribute führen. Das Abschätzen der Änderungsfolgen hat deshalb besondere Relevanz im Entscheidungsprozess. Jedoch können manuelle Änderungsabschätzungen mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden sein. Somit kann eine automatische und domänenübergreifende Änderungsausbreitungsanalyse vor der Umsetzung einer Änderungsanfrage die Vorhersage der Änderungsaufwände und den Entscheidungsfindungsprozess zu deren Umsetzung unterstützen. Eine Möglichkeit zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse ist ein modell-, sowie szenariobasierter Ansatz zur Wartbarkeitsabschätzung, der Systeme aus mehreren Domänen berücksichtigt. Jedoch konzentrieren sich bestehende modellbasierte und szenariobasierte Ansätze meist auf die Änderungsausbreitung in einer Domäne und vernachlässigen Änderungsaufwände der Elemente aus Domänen, die in einer gegenseitigen Abhängigkeitsbeziehung zur betrachteten Domäne stehen. Dies führt zu einer unzureichenden Abschätzung der Änderungsauswirkungen. Die vorliegende Dissertation stellt eine generische Methode für eine automatische und domänenübergreifende Änderungsausbreitungsanalyse vor. Durch die Instanziierung der generischen Methode in verschiedenen Domänen kann ein vollständiger Ansatz zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse in der jeweiligen Domäne erstellt werden. Somit hat die generische Methode zum Ziel, den Entwicklungsprozess einer modellbasierten Änderungsausbreitungsanalyse durch die Wiederverwendung von bestehenden Konzepten zu verbessern. Die generische Methode basiert auf dem Karlsruhe Architectural Maintainability Prediction (KAMP) Ansatz zur Änderungsausbreitungsanalyse in Informationssystemen. Weitere Beiträge dieser Dissertation können wie folgt zusammengefasst werden: i) Software-Systeme sind integrale Bestandteile der Geschäftsprozesse moderner Unternehmen. Daher beeinflussen sich Software-Systeme und Geschäftsprozesse gegenseitig während der Evolution. Angesichts komplexer gegenseitiger Beeinflussung bietet der Ansatz als eine Instanz der generischen Methode und eine Erweiterung des KAMP-Ansatzes eine automatische Änderungsausbreitungsanalyse in den sich gegenseitig beeinflussenden Domänen der Informationssysteme und der Geschäftsprozesse. ii) Basierend auf Metamodellen zur Darstellung von mechanischen und elektrischen Teilen, als auch der Steuerungssoftware im Standard IEC 61131-3 für speicherprogrammierbare Steuerungen wurde ein weiterer Ansatz (ebenfalls als eine Instanziierung der generischen Methode) für die Domänen der automatisierten Produktionssysteme entwickelt. Mit dem Ansatz ist es möglich Änderungen über Systemelemente aus mehreren Sub-Domänen von automatisierten Produktionssystemen zu verfolgen, um eine umfassende Liste von Wartbarkeitsaufwänden zu erstellen. iii) Die Änderungsauslöser können sich entweder auf Architekturmodellebene oder auf Anforderungsebene befinden. Basierend auf Modellen zur Erfassung von Anforderungen und Entwurfsentscheidungen in der Domäne der Informationssysteme, Geschäftsprozesse, sowie automatisierten Produktionssysteme wurden die bestehenden Instanzen der generischen Methode zur Berücksichtigung von Anforderungsänderungen erweitert. Somit ergänzt dieser Beitrag die bisherigen Beiträge bezüglich der domänen-spezifischen Änderungsausbreitungsanalysen. iv) Die Änderungsausbreitung in den Instanzen der Methode wird durch Änderungsausbreitungsregeln betrachtet. Hierzu wurde eine domänenspezifische Sprache zum Beschreiben der häufig benutzten Änderungsausbreitungsregeln zur besseren Lesbarkeit der Regeln sowie zur Vermeidung von technischem Code vorgestellt. v) Weiter wurde ein mehrdimensionales Kategorisierungsschema für die Änderungsauslöser in Geschäftsprozessen basierend auf den Ergebnissen einer umfassenden Literaturrecherche vorgestellt. Die Beiträge dieser Dissertation zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse wurden anhand von Fallstudien in der jeweiligen Domäne evaluiert. Für jede Fallstudie wurde die Genauigkeit der Ergebnisse des jeweiligen Ansatzes im Vergleich zu manuell erstellten Ergebnissen angegeben. Zudem wurde die Aufwandsersparnis durch eine automatische Änderungsausbreitungsanalyse anhand des Vergleichs zweier Metriken gezeigt: i) Die erste Metrik repräsentiert die Rate der Anzahl der tatsächlich zu ändernden Modellelemente zur Anzahl der gesamten Modellelemente. ii) Die zweite Metrik repräsentiert die Rate der Anzahl der vom Ansatz vorgeschlagenen Modellelemente zur Anzahl der gesamten Modellelemente. Für die Validierung des Ansatzes zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse in den Domänen der Informationssysteme und der Geschäftsprozesse wurde basierend auf den Ergebnissen der systematischen Literaturrecherche zur Ermittlung der Änderungsauslöser in Geschäftsprozessen repräsentative Änderungsauslöserklassen identifiziert. Diese repräsentativen Änderungsauslöserklassen wurden jeweils auf die Community-Fallstudien "Common Component Modeling Example (CoCoME)" und "modular Rice University Bidding System (mRUBiS)" angewendet. Für die externe Validität der Methode wurde die Domäne der automatisierten Produktionssysteme betrachtet. Hierzu wurde die Instanz der Methode zur automatischen Änderungsausbreitungsanalyse in der Domäne der automatisierten Produktionssysteme auf die Community-Fallstudie "extended Pick and Place Unit (xPPU)" angewendet. Die betrachtete Anlage beinhaltet die elektrischen und mechanischen Bauteile sowie die Steuerungssoftware im Standard IEC 61131-3 für speicherprogrammierbare Steuerungen

Service-oriented architecture for device lifecycle support in industrial automation

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Especialidade: Robótica e Manufactura IntegradaThis thesis addresses the device lifecycle support thematic in the scope of service oriented industrial automation domain. This domain is known for its plethora of heterogeneous equipment encompassing distinct functions, form factors, network interfaces, or I/O specifications supported by dissimilar software and hardware platforms. There is then an evident and crescent need to take every device into account and improve the agility performance during setup, control, management, monitoring and diagnosis phases. Service-oriented Architecture (SOA) paradigm is currently a widely endorsed approach for both business and enterprise systems integration. SOA concepts and technology are continuously spreading along the layers of the enterprise organization envisioning a unified interoperability solution. SOA promotes discoverability, loose coupling, abstraction, autonomy and composition of services relying on open web standards – features that can provide an important contribution to the industrial automation domain. The present work seized industrial automation device level requirements, constraints and needs to determine how and where can SOA be employed to solve some of the existent difficulties. Supported by these outcomes, a reference architecture shaped by distributed, adaptive and composable modules is proposed. This architecture will assist and ease the role of systems integrators during reengineering-related interventions throughout system lifecycle. In a converging direction, the present work also proposes a serviceoriented device model to support previous architecture vision and goals by including embedded added-value in terms of service-oriented peer-to-peer discovery and identification, configuration, management, as well as agile customization of device resources. In this context, the implementation and validation work proved not simply the feasibility and fitness of the proposed solution to two distinct test-benches but also its relevance to the expanding domain of SOA applications to support device lifecycle in the industrial automation domain

A Framework for Industry 4.0

The potential of the Industry 4.0 will allow the national industry to develop all kinds of procedures, especially in terms of competitive differentiation. The prospects and motivations behind Industry 4.0 are related to the management that is essentially geared towards industrial internet, to the integrated analysis and use of data, to the digitalization of products and services, to new disruptive business models and to the cooperation within the value chain. It is through the integration of Cyber-Physical Systems (CPS), into the maintenance process that it is possible to carry out a continuous monitoring of industrial machines, as well as to apply advanced techniques for predictive and proactive maintenance. The present work is based on the MANTIS project, aiming to construct a specific platform for the proactive maintenance of industrial machines, targeting particularly the case of GreenBender ADIRA Steel Sheet. In other words, the aim is to reduce maintenance costs, increase the efficiency of the process and consequently the profit. Essentially, the MANTIS project is a multinational research project, where the CISTER Research Unit plays a key role, particularly in providing the communications infrastructure for one MANTIS Pilot. The methodology is based on a follow-up study, which is jointly carried with the client, as well as within the scope of the implementation of the ADIRA Pilot. The macro phases that are followed in the present work are: 1) detailed analysis of the business needs; 2) preparation of the architecture specification; 3) implementation/development; 4) tests and validation; 5) support; 6) stabilization; 7) corrective and evolutionary maintenance; and 8) final project analysis and corrective measures to be applied in future projects. The expected results of the development of such project are related to the integration of the industrial maintenance process, to the continuous monitoring of the machines and to the application of advanced techniques of preventive and proactive maintenance of industrial machines, particularly based on techniques and good practices of the Software Engineering area and on the integration of Cyber-Physical Systems.O potencial desenvolvido pela Indústria 4.0 dotará a indústria nacional de capacidades para desenvolver todo o tipo de procedimentos, especialmente a nível da diferenciação competitiva. As perspetivas e as motivações por detrás da Indústria 4.0 estão relacionadas com uma gestão essencialmente direcionada para a internet industrial, com uma análise integrada e utilização de dados, com a digitalização de produtos e de serviços, com novos modelos disruptivos de negócio e com uma cooperação horizontal no âmbito da cadeia de valor. É através da integração dos sistemas ciber-físicos no processo de manutenção que é possível proceder a um monitoramento contínuo das máquinas, tal como à aplicação de técnicas avançadas para a manutenção preditiva e pró-ativa das mesmas. O presente trabalho é baseado no projeto MANTIS, objetivando, portanto, a construção de uma plataforma específica para a manutenção pró-ativa das máquinas industriais, neste caso em concreto das prensas, que serão as máquinas industriais analisadas ao longo do presente trabalho. Dito de um outro modo, objetiva-se, através de uma plataforma em específico, reduzir todos os custos da sua manutenção, aumentando, portanto, os lucros industriais advindos da produção. Resumidamente, o projeto MANTIS consiste num projeto de investigação multinacional, onde a Unidade de Investigação CISTER desenvolve um papel fundamental, particularmente no fornecimento da infraestrutura de comunicação no Piloto MANTIS. A metodologia adotada é baseada num estudo de acompanhamento, realizado em conjunto com o cliente, e no âmbito da implementação do Piloto da ADIRA. As macro fases que são compreendidas por esta metodologia, e as quais serão seguidas, são: 1) análise detalhada das necessidades de negócio; 2) preparação da especificação da arquitetura; 3) implementação/desenvolvimento; 4) testes e validação; 5) suporte; 6) estabilização; 7) manutenção corretiva e evolutiva; e 8) análise final do projeto e medidas corretivas a aplicar em projetos futuros. Os resultados esperados com o desenvolvimento do projeto estão relacionados com a integração do processo de manutenção industrial, a monitorização contínua das máquinas e a aplicação de técnicas avançadas de manutenção preventiva e pós-ativa das máquinas, especialmente com base em técnicas e boas práticas da área de Engenharia de Software

Monitoring morphisms to support sustainable interoperability of enterprise systems

Dissertation to obtain the Master degree in Electrical Engineering and Computer ScienceNowadays, organizations are required to be part of a global collaborative world. Sometimes this is the only way they can access new and wider markets, reaching new opportunities, skills and sharing assets, e.g. tools, lessons learnt. However, due to the different sources of enterprise models and semantics, organizations are experiencing difficulties in exchanging vital information via electronic and in a seamlessly way. To solve this issue, most of them try to attain interoperability by establishing peer-to-peer mappings with different business partners, or in optimized networks using neutral data standards to regulate communications. Moreover, the systems are more and more dynamic, changing frequently to answer new customer’s requirements, causing new interoperability problems and a reduction of efficiency. This dissertation proposes a multi-agent system to monitor existing enterprise systems, by being capable of detecting morphism changes. With this, network harmonization breakings are timely detected, and possible solutions are suggested to regain the interoperable status, thus enhancing robustness for reaching sustainability of business networks

Model-Driven Development of Control Applications: On Modeling Tools, Simulations and Safety

Control systems are required in various industrial applications varying from individual machines to manufacturing plants and enterprises. Software applications have an important role as an implementation technology in such systems, which can be based on Distributed Control System (DCS) or Programmable Control System (PLC) platforms, for example. Control applications are computer programs that, with control system hardware, perform control tasks. Control applications are efficient and flexible by nature; however, their development is a complex task that requires the collaboration of experts and information from various domains of expertise.This thesis studies the use of Model-Driven Development (MDD) techniques in control application development. MDD is a software development methodology in which models are used as primary engineering artefacts and processed with both manual work and automated model transformations. The objective of the thesis is to explore whether or not control application development can benefit from MDD and selected technologies enabled by it. The research methodology followed in the thesis is the constructive approach of design science.To answer the research questions, tools are developed for modeling and developing control applications using UML Automation Profile (UML AP) in a model-driven development process. The modeling approach is developed based on open source tools on Eclipse platform. In the approach, modeling concepts are kept extendable. Models can be processed with model transformation techniques that plug in to the tool. The approach takes into account domain requirements related to, for example, re-use of design. According to assessment of industrial applicability of the approach and tools as part of it, they could be used for developing industrial DCS based control applications.Simulation approaches that can be used in conjunction to model-driven development of control applications are presented and compared. Development of a model-in-the-loop simulation support is rationalized to enable the use of simulations early while taking into account the special characteristics of the domain. A simulator integration is developed that transforms UML AP control application models to Modelica Modeling Language (ModelicaML) models, thus enabling closed-loop simulations with ModelicaML models of plants to be controlled. The simulation approach is applied successfully in simulations of machinery applications and process industry processes.Model-driven development of safety applications, which are parts of safety systems, would require taking into account safety standard requirements related to modeling techniques and documentation, for example. Related to this aspect, the thesis focuses on extending the information content of models with aspects that are required for safety applications. The modeling of hazards and their associated risks is supported with fault tree notation. The risk and hazard information is integrated into the development process in order to improve traceability. Automated functions enable generating documentation and performing consistency checks related to the use of standard solutions, for example. When applicable, techniques and notations, such as logic diagrams, have been chosen so that they are intuitive to developers but also comply with recommendations of safety standards

Semantic Modelling of Control Logic in Automation Systems - Knowledge-Based Support of the Engineering and Operation of Control Logic in Building and Industrial Automation Systems

Automatisierungssysteme schaffen in vielen Bereichen die Grundlagen, auf denen heutige, moderne Industriegesellschaften basieren. Obwohl in der Vergangenheit wichtige Errungenschaften in der Forschung zur Automatisierungstechnik erreicht wurden, bestehen weiterhin Herausforderungen bezüglich des Engineerings und des Betriebs von Automatisierungssystemen, die die Nutzung und den Einsatz dieser Systeme erschweren. Als Gründe für diese Probleme sind die Komplexität dieser Systeme durch ihre schiere Grö{\ss}e und ihre Komplexität aufgrund der Kombination von cyber und physikalischen Komponenten zu nennen. Des Weiteren führt der zunehmende Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien zu einer weiteren Verflechtung dieser System über ihre bisherigen, hierarchischen Strukturen hinaus und damit zu einer weiteren Zunahme der Komplexität. Eine weitere Herausforderung ist, dass für ein reibungsloses Engineering und einen reibungslosen Betrieb dieser Systeme eine Vielzahl von Beteiligten aus unterschiedlichen Fachdisziplinen zusammenarbeiten müssen. Dies wird durch die Heterogenität der eingesetzten Softwarewerkzeuge und Datenformate erschwert, die einen automatisierten Austausch von Wissen behindern. Folglich besteht ein dringender Bedarf an Methoden, die die wissensintensiven Aufgaben in Zusammenhang mit dem Engineering und dem Betrieb von Automatisierungssystemen im Kontext heterogener Softwarewerkzeuge und Datenformate unterstützen und, als Antwort auf die Komplexitätszunahme, automatisieren. Eine Voraussetzung für die Entwicklung solcher Methoden ist die formale Repräsentation von Domänenwissen mit Hilfe eines Modells. Die Analyse des Stands der Technik in dieser Arbeit zeigt, dass kein Ansatz existiert der es erlaubt einen wesentlichen Bestandteil der Domäne Automatisierungssystem, die Domänen Regelung und Steuerung und Regelungslogik, explizit zu beschreiben und dieses Wissen mit angrenzenden Domänen zu vernetzen. Ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit besteht in der Vorstellung eines neuartigen, semantischen Modells, dass es erlaubt, sowohl Wissen der Domänen Regelung und Steuerung, als auch der Domäne Regelungslogik explizit und formal zu beschreiben. Zusätzlich ist es nun erstmals möglich dieses Wissen mit angrenzendem Domänenwissen, wie zum Beispiel aus dem Maschinenbau oder der Elektrotechnik, zu vernetzen. Das Modell wird unabhängig von der Implementierung in der Unified Modeling Language spezifiziert und mit Hilfe von Semantic Web Technologien implementiert. Das Modell ist in zwei Schichten aufgebaut. Auf der oberen Ebene wird allgemeines Wissen der Domäne Regelung und Steuerung modelliert, dass, wie in der Arbeit demonstriert, leicht mit angrenzenden Domänen verbunden werden kann. Auf der unteren Ebene wird das allgemeine Wissen der Domäne Regelung und Steuerung, um die Domäne der Regelungslogik erweitert und für die jeweilige Regelungslogik explizit spezifiziert. Zur Validierung des Modells wird in zwei separaten Fallstudien evaluiert, ob es das notwendige Wissen für zwei neuartige wissensbasierte Methoden repräsentieren kann. In der ersten Fallstudie wird eine wissensbasierte Methode zur Verbesserung des Betriebs von Automatisierungssystemen in Gebäuden prototypisch umgesetzt und getestet. Dabei ermöglicht das entwickelte Modell Faktenwissen, das aus dem Engineering der Regelungslogik gewonnen wurde, formal zu beschreiben. Dieses Wissen wird dann genutzt, um automatisiert Regeln zu instanziieren, die es ermöglichen automatisiert zu überprüfen, ob die tatsächlich implementierte Regelungslogik sich im Betrieb genauso verhält wie ursprünglich entworfen. In der zweiten Fallstudie wird eine wissensbasierte Methode zur Unterstützung des Engineerings von industriellen Automatisierungssystemen vorgestellt. Hier wird gezeigt, dass, basierend auf dem neuen Modell, die gleichzeitige formale Verifikation von verschiedenen Regelungsverfahren und die gleichzeitige formale Verifikation von Regelungsverfahren und Wissen über die automatisierte Anlage möglich ist. Zusätzlich, wird gezeigt, dass die Methode inkrementelle Aktualisierungen des Faktenwissens ermöglicht und ein bidirektionaler Austausch von Fallwissen zwischen dem ursprünglichen Format und der Wissensbasis möglich ist. Durch die Schaffung des neuen Modells ist nun die Möglichkeit gegeben formal und explizit Wissen der Domänen Regelung und Steuerung, sowie Regelungslogik zu beschreiben. Basierend auf diesem Modell werden zwei neuartige, wissensbasierte Methoden vorgestellt, die es ermöglichen das Engineering und den Betrieb von Automatisierungssystemen zu vereinfachen und zu verbessern