Analysis of methods

Information is one of an organization's most important assets. For this reason the development and maintenance of an integrated information system environment is one of the most important functions within a large organization. The Integrated Information Systems Evolution Environment (IISEE) project has as one of its primary goals a computerized solution to the difficulties involved in the development of integrated information systems. To develop such an environment a thorough understanding of the enterprise's information needs and requirements is of paramount importance. This document is the current release of the research performed by the Integrated Development Support Environment (IDSE) Research Team in support of the IISEE project. Research indicates that an integral part of any information system environment would be multiple modeling methods to support the management of the organization's information. Automated tool support for these methods is necessary to facilitate their use in an integrated environment. An integrated environment makes it necessary to maintain an integrated database which contains the different kinds of models developed under the various methodologies. In addition, to speed the process of development of models, a procedure or technique is needed to allow automatic translation from one methodology's representation to another while maintaining the integrity of both. The purpose for the analysis of the modeling methods included in this document is to examine these methods with the goal being to include them in an integrated development support environment. To accomplish this and to develop a method for allowing intra-methodology and inter-methodology model element reuse, a thorough understanding of multiple modeling methodologies is necessary. Currently the IDSE Research Team is investigating the family of Integrated Computer Aided Manufacturing (ICAM) DEFinition (IDEF) languages IDEF(0), IDEF(1), and IDEF(1x), as well as ENALIM, Entity Relationship, Data Flow Diagrams, and Structure Charts, for inclusion in an integrated development support environment

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

Formal verification of automotive embedded UML designs

Software applications are increasingly dominating safety critical domains. Safety critical domains are domains where the failure of any application could impact human lives. Software application safety has been overlooked for quite some time but more focus and attention is currently directed to this area due to the exponential growth of software embedded applications. Software systems have continuously faced challenges in managing complexity associated with functional growth, flexibility of systems so that they can be easily modified, scalability of solutions across several product lines, quality and reliability of systems, and finally the ability to detect defects early in design phases. AUTOSAR was established to develop open standards to address these challenges. ISO-26262, automotive functional safety standard, aims to ensure functional safety of automotive systems by providing requirements and processes to govern software lifecycle to ensure safety. Each functional system needs to be classified in terms of safety goals, risks and Automotive Safety Integrity Level (ASIL: A, B, C and D) with ASIL D denoting the most stringent safety level. As risk of the system increases, ASIL level increases and the standard mandates more stringent methods to ensure safety. ISO-26262 mandates that ASILs C and D classified systems utilize walkthrough, semi-formal verification, inspection, control flow analysis, data flow analysis, static code analysis and semantic code analysis techniques to verify software unit design and implementation. Ensuring software specification compliance via formal methods has remained an academic endeavor for quite some time. Several factors discourage formal methods adoption in the industry. One major factor is the complexity of using formal methods. Software specification compliance in automotive remains in the bulk heavily dependent on traceability matrix, human based reviews, and testing activities conducted on either actual production software level or simulation level. ISO26262 automotive safety standard recommends, although not strongly, using formal notations in automotive systems that exhibit high risk in case of failure yet the industry still heavily relies on semi-formal notations such as UML. The use of semi-formal notations makes specification compliance still heavily dependent on manual processes and testing efforts. In this research, we propose a framework where UML finite state machines are compiled into formal notations, specification requirements are mapped into formal model theorems and SAT/SMT solvers are utilized to validate implementation compliance to specification. The framework will allow semi-formal verification of AUTOSAR UML designs via an automated formal framework backbone. This semi-formal verification framework will allow automotive software to comply with ISO-26262 ASIL C and D unit design and implementation formal verification guideline. Semi-formal UML finite state machines are automatically compiled into formal notations based on Symbolic Analysis Laboratory formal notation. Requirements are captured in the UML design and compiled automatically into theorems. Model Checkers are run against the compiled formal model and theorems to detect counterexamples that violate the requirements in the UML model. Semi-formal verification of the design allows us to uncover issues that were previously detected in testing and production stages. The methodology is applied on several automotive systems to show how the framework automates the verification of UML based designs, the de-facto standard for automotive systems design, based on an implicit formal methodology while hiding the cons that discouraged the industry from using it. Additionally, the framework automates ISO-26262 system design verification guideline which would otherwise be verified via human error prone approaches

A Model-Driven Approach for the Design, Implementation, and Execution of Software Development Methods

[EN] Software development projects are diverse in nature. For this reason, software companies are often forced to define their methods in-house. In order to define methods efficiently and effectively, software companies require systematic solutions that are built upon sound methodical foundations. Providing these solutions is the main goal of the Method Engineering discipline. Method Engineering is the discipline to design, construct, and adapt methods, techniques, and tools for the development of information systems. Over the last two decades, a lot of research work has been performed in this area. However, despite its potential benefits, Method Engineering is not widely used in industrial settings. Some of the causes of this reality are the high theoretical complexity of Method Engineering and the lack of adequate software support. In this thesis, we aim to mitigate some of the problems that affect Method Engineering by providing a novel methodological approach that is built upon Model-Driven Engineering (MDE) foundations. The use of MDE enables a rise in abstraction, automation, and reuse that allows us to alleviate the complexity of our Method Engineering approach. Furthermore, by leveraging MDE techniques (such as metamodeling, model transformations, and models at runtime), our approach supports three phases of the Method Engineering lifecycle: design, implementation, and execution. This is unlike traditional Method Engineering approaches, which, in general, only support one of these phases. In order to provide software support for our proposal, we developed a Computer-Aided Method Engineering (CAME) environment that is called MOSKitt4ME. To ensure that MOSKitt4ME offered the necessary functionality, we identified a set of functional requirements prior to developing the tool. Then, after these requirements were identified, we defined the architecture of our CAME environment, and, finally, we implemented the architecture in the context of Eclipse. The thesis work was evaluated by means of a study that involved the participation of end users. In this study, MOSKitt4ME was assessed by means of the Technology Acceptance Model (TAM) and the Think Aloud method. While the TAM allowed us to measure usefulness and ease of use in a subjective manner, the Think Aloud method allowed us to analyze these measures objectively. Overall, the results were favorable. MOSKitt4ME was highly rated in perceived usefulness and ease of use; we also obtained positive results with respect to the users' actual performance and the difficulty experienced.[ES] Los proyectos de desarrollo de software son diversos por naturaleza. Por este motivo, las compañías de software se ven forzadas frecuentemente a definir sus métodos de manera interna. Para poder definir métodos de forma efectiva y eficiente, las compañías necesitan soluciones sistemáticas que estén definidas sobre unos fundamentos metodológicos sólidos. Proporcionar estas soluciones es el principal objetivo de la Ingeniería de Métodos. La Ingeniería de Métodos es la disciplina que aborda el diseño, la construcción y la adaptación de métodos, técnicas y herramientas para el desarrollo de sistemas de información. Durante las dos últimas décadas, se ha llevado a cabo mucho trabajo de investigación en esta área. Sin embargo, pese a sus potenciales beneficios, la Ingeniería de Métodos no se aplica ampliamente en contextos industriales. Algunas de las principales causas de esta situación son la alta complejidad teórica de la Ingeniería de Métodos y la falta de un apropiado soporte software. En esta tesis, pretendemos mitigar algunos de los problemas que afectan a la Ingeniería de Métodos proporcionando una propuesta metodológica innovadora que está basada en la Ingeniería Dirigida por Modelos (MDE). El uso de MDE permite elevar el nivel de abstracción, automatización y reuso, lo que posibilita una reducción de la complejidad de nuestra propuesta. Además, aprovechando técnicas de MDE (como por ejemplo el metamodelado, las transformaciones de modelos y los modelos en tiempo de ejecución), nuestra aproximación da soporte a tres fases del ciclo de vida de la Ingeniería de Métodos: diseño, implementación y ejecución. Esto es a diferencia de las propuestas existentes, las cuales, por lo general, sólo dan soporte a una de estas fases. Con el objetivo de proporcionar soporte software para nuestra propuesta, implementamos una herramienta CAME (Computer-Aided Method Engineering) llamada MOSKitt4ME. Para garantizar que MOSKitt4ME proporcionaba la funcionalidad necesaria, definimos un conjunto de requisitos funcionales como paso previo al desarrollo de la herramienta. Tras la definción de estos requisitos, definimos la arquitectura de la herramienta CAME y, finalmente, implementamos la arquitectura en el contexto de Eclipse. El trabajo desarrollado en esta tesis se evaluó por medio de un estudio donde participaron usuarios finales. En este estudio, MOSKitt4ME se evaluó por medio del Technology Acceptance Model (TAM) y del método Think Aloud. Mientras que el TAM permitió medir utilidad y facilidad de uso de forma subjetiva, el método Think Aloud permitió analizar estas medidas objetivamente. En general, los resultados obtenidos fueron favorables. MOSKitt4ME fue valorado de forma positiva en cuanto a utilidad y facilidad de uso percibida; además, obtuvimos resultados positivos en cuanto al rendimiento objetivo de los usuarios y la dificultad experimentada.[CA] Els projectes de desenvolupament de programari són diversos per naturalesa. Per aquest motiu, les companyies es veuen forçades freqüenment a definir els seus mètodes de manera interna. Per poder definir mètodes de forma efectiva i eficient, les companyies necessiten solucions sistemàtiques que estiguin definides sobre uns fundaments metodològics sòlids. Proporcionar aquestes solucions és el principal objectiu de l'Enginyeria de Mètodes. L'Enginyeria de Mètodes és la disciplina que aborda el diseny, la construcció i l'adaptació de mètodes, tècniques i eines per al desenvolupament de sistemes d'informació. Durant les dues últimes dècades, s'ha dut a terme molt de treball de recerca en aquesta àrea. No obstant, malgrat els seus potencials beneficis, l'Enginyeria de Mètodes no s'aplica àmpliament en contextes industrials. Algunes de les principals causes d'aquesta situació són l'alta complexitat teòrica de l'Enginyeria de Mètodes i la falta d'un apropiat suport de programari. En aquesta tesi, pretenem mitigar alguns dels problemes que afecten a l'Enginyeria de Mètodes proporcionant una proposta metodològica innovadora que està basada en l'Enginyeria Dirigida per Models (MDE). L'ús de MDE ens permet elevar el nivell d'abstracció, automatització i reutilització, possibilitant una reducció de la complexitat de la nostra proposta. A més a més, aprofitant tècniques de MDE (com per exemple el metamodelat, les transformacions de models i els models en temps d'execució), la nostra aproximació suporta tres fases del cicle de vida de l'Enginyeria de Mètodes: diseny, implementació i execució. Açò és a diferència de les propostes existents, les quals, en general, només suporten una d'aquestes fases. Amb l'objectiu de proporcionar suport de programari per a la nostra proposta, implementàrem una eina CAME (Computer-Aided Method Engineering) anomenada MOSKitt4ME. Per garantir que MOSKitt4ME oferia la funcionalitat necessària, definírem un conjunt de requisits funcionals com a pas previ al desenvolupament de l'eina. Després de la definició d'aquests requisits, definírem la arquitectura de l'eina CAME i, finalment, implementàrem l'arquitectura en el contexte d'Eclipse. El treball desenvolupat en aquesta tesi es va avaluar per mitjà d'un estudi on van participar usuaris finals. En aquest estudi, MOSKitt4ME es va avaluar per mitjà del Technology Acceptance Model (TAM) i el mètode Think Aloud. Mentre que el TAM va permetre mesurar utilitat i facilitat d'ús de manera subjectiva, el mètode Think Aloud va permetre analitzar aquestes mesures objectivament. En general, els resultats obtinguts van ser favorables. MOSKitt4ME va ser valorat de forma positiva pel que fa a utilitat i facilitat d'ús percebuda; a més a més, vam obtenir resultats positius pel que fa al rendiment objectiu dels usuaris i a la dificultat experimentada.Cervera Úbeda, M. (2015). A Model-Driven Approach for the Design, Implementation, and Execution of Software Development Methods [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53931TESI

Verification of knowledge shared across design and manufacture using a foundation ontology

Seamless computer-based knowledge sharing between departments of a manufacturing enterprise is useful in preventing unnecessary design revisions. A lack of interoperability between independently developed knowledge bases, however, is a major impediment in the development of a seamless knowledge sharing system. Interoperability, being an ability to overcome semantic and syntactic differences during computer-based knowledge sharing can be enhanced through the use of ontologies. Ontologies in computer science terms are hierarchical structures of knowledge stored in a computer-based knowledge base. Ontologies have been accepted by all as an interoperable medium to provide a non-subjective way of storing and sharing knowledge across diverse domains. Some semantic and syntactic differences, however, still crop up when these ontological knowledge bases are developed independently. A case study in an aerospace components manufacturing company suggests that shape features of a component are perceived differently by the designing and manufacturing departments. These differences cause further misunderstanding and misinterpretation when computer-based knowledge sharing systems are used across the two domains. Foundation or core ontologies can be used to overcome these differences and to ensure a seamless sharing of knowledge. This is because these ontologies provide a common grounding for domain ontologies to be used by individual domains or department. This common grounding can be used by the mediation and knowledge verification systems to authenticate the meaning of knowledge understood across different domains. For this reason, this research proposes a knowledge verification framework for developing a system capable of verifying knowledge between those domain ontologies which are developed out of a common core or foundation ontology. This framework makes use of ontology logic to standardize the way concepts from a foundation and core-concepts ontology are used in domain ontologies and then by using the same principles the knowledge being shared is verified. The Knowledge Frame Language which is based on Common Logic is used for formalizing example ontologies. The ontology editor used for browsing and querying ontologies is the Integrated Ontology Development Environment (IODE) by Highfleet Inc. An ontological product modelling technique is also developed in this research, to test the proposed framework in the scenario of manufacturability analysis. The proposed framework is then validated through a Java API specially developed for this purpose. Real industrial examples experienced during the case study are used for validation