Synchronisation of Model Visualisation and Code Generation Based on Model Transformation

The development, maintenance and documentation of complex systems is commonly supported by model-driven approaches where system properties are captured by visual models at different layers of abstraction and from different perspectives as proposed by the Object Management Group (OMG) and its model-driven architecture. Generally, a model is a concrete view on the system from a specific perspective in a particular domain. We focus on visual models in the form of diagrams and whose syntax is defined by domain-specific modelling languages (DSLs). Different models may represent different views on a system, i.e., they may be linked to each other by sharing a common set of information. Therefore, models that are expressed in one DSL may be transformed to interlinked models in other DSLs and furthermore, model updates may be synchronised between different domains. Concretely, this thesis presents the transformation and synchronisation of source code (abstract syntax trees, ASTs) written in the Satellite-Procedure & Execution Language (SPELL) to flow charts (code visualisation) and vice versa (code generation) as the result of an industrial case study. The transformation and synchronisation are performed based on existing approaches for model transformations and synchronisations between two domains in the theoretic framework of graph transformation where models are represented by graphs. Furthermore, extensions to existing approaches are presented for treating non-determinism in concurrent model synchronisations. Finally, the existing results for model transformations and synchronisations between two domains are lifted to the more general case of an arbitrary number of domains or models containing views, i.e., a model in one domain may be transformed to models in several domains or to all other views, respectively, and model updates in one domain may be synchronised to several other domains or to all other views, respectively

Formal Foundations for Information-Preserving Model Synchronization Processes Based on Triple Graph Grammars

Zwischen verschiedenen Artefakten, die Informationen teilen, wieder Konsistenz herzustellen, nachdem eines von ihnen geändert wurde, ist ein wichtiges Problem, das in verschiedenen Bereichen der Informatik auftaucht. Mit dieser Dissertation legen wir eine Lösung für das grundlegende Modellsynchronisationsproblem vor. Bei diesem Problem ist ein Paar solcher Artefakte (Modelle) gegeben, von denen eines geändert wurde; Aufgabe ist die Wiederherstellung der Konsistenz. Tripelgraphgrammatiken (TGGs) sind ein etablierter und geeigneter Formalismus, um dieses und verwandte Probleme anzugehen. Da sie auf der algebraischen Theorie der Graphtransformation und dem (Double-)Pushout Zugang zu Ersetzungssystemen basieren, sind sie besonders geeignet, um Lösungen zu entwickeln, deren Eigenschaften formal bewiesen werden können. Doch obwohl TGG-basierte Ansätze etabliert sind, leiden viele von ihnen unter dem Problem des Informationsverlustes. Wenn ein Modell geändert wurde, können während eines Synchronisationsprozesses Informationen verloren gehen, die nur im zweiten Modell vorliegen. Das liegt daran, dass solche Synchronisationsprozesse darauf zurückfallen Konsistenz dadurch wiederherzustellen, dass sie das geänderte Modell (bzw. große Teile von ihm) neu übersetzen. Wir schlagen einen TGG-basierten Ansatz vor, der fortgeschrittene Features von TGGs unterstützt (Attribute und negative Constraints), durchgängig formalisiert ist, implementiert und inkrementell in dem Sinne ist, dass er den Informationsverlust im Vergleich mit vorherigen Ansätzen drastisch reduziert. Bisher gibt es keinen TGG-basierten Ansatz mit vergleichbaren Eigenschaften. Zentraler Beitrag dieser Dissertation ist es, diesen Ansatz formal auszuarbeiten und seine wesentlichen Eigenschaften, nämlich Korrektheit, Vollständigkeit und Termination, zu beweisen. Die entscheidende neue Idee unseres Ansatzes ist es, Reparaturregeln anzuwenden. Dies sind spezielle Regeln, die es erlauben, Änderungen an einem Modell direkt zu propagieren anstatt auf Neuübersetzung zurückzugreifen. Um diese Reparaturregeln erstellen und anwenden zu können, entwickeln wir grundlegende Beiträge zur Theorie der algebraischen Graphtransformation. Zunächst entwickeln wir eine neue Art der sequentiellen Komposition von Regeln. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Komposition, die zu Regeln führt, die Elemente löschen und dann wieder neu erzeugen, können wir Regeln herleiten, die solche Elemente stattdessen bewahren. Technisch gesehen findet der Synchronisationsprozess, den wir entwickeln, außerdem in der Kategorie der partiellen Tripelgraphen statt und nicht in der der normalen Tripelgraphen. Daher müssen wir sicherstellen, dass die für Double-Pushout-Ersetzungssysteme ausgearbeitete Theorie immer noch gültig ist. Dazu entwickeln wir eine (kategorientheoretische) Konstruktion neuer Kategorien aus gegebenen und zeigen, dass (i) diese Konstruktion die Axiome erhält, die nötig sind, um die Theorie für Double-Pushout-Ersetzungssysteme zu entwickeln, und (ii) partielle Tripelgraphen als eine solche Kategorie konstruiert werden können. Zusammen ermöglichen diese beiden grundsätzlichen Beiträge es uns, unsere Lösung für das grundlegende Modellsynchronisationsproblem vollständig formal auszuarbeiten und ihre zentralen Eigenschaften zu beweisen.Restoring consistency between different information-sharing artifacts after one of them has been changed is an important problem that arises in several areas of computer science. In this thesis, we provide a solution to the basic model synchronization problem. There, a pair of such artifacts (models), one of which has been changed, is given and consistency shall be restored. Triple graph grammars (TGGs) are an established and suitable formalism to address this and related problems. Being based on the algebraic theory of graph transformation and (double-)pushout rewriting, they are especially suited to develop solutions whose properties can be formally proven. Despite being established, many TGG-based solutions do not satisfactorily deal with the problem of information loss. When one model is changed, in the process of restoring consistency such solutions may lose information that is only present in the second model because the synchronization process resorts to restoring consistency by re-translating (large parts of) the updated model. We introduce a TGG-based approach that supports advanced features of TGGs (attributes and negative constraints), is comprehensively formalized, implemented, and is incremental in the sense that it drastically reduces the amount of information loss compared to former approaches. Up to now, a TGG-based approach with these characteristics is not available. The central contribution of this thesis is to formally develop that approach and to prove its essential properties, namely correctness, completeness, and termination. The crucial new idea in our approach is the use of repair rules, which are special rules that allow one to directly propagate changes from one model to the other instead of resorting to re-translation. To be able to construct and apply these repair rules, we contribute more fundamentally to the theory of algebraic graph transformation. First, we develop a new kind of sequential rule composition. Whereas the conventional composition of rules leads to rules that delete and re-create elements, we can compute rules that preserve such elements instead. Furthermore, technically the setting in which the synchronization process we develop takes place is the category of partial triple graphs and not the one of ordinary triple graphs. Hence, we have to ensure that the elaborate theory of double-pushout rewriting still applies. Therefore, we develop a (category-theoretic) construction of new categories from given ones and show that (i) this construction preserves the axioms that are necessary to develop the theory of double-pushout rewriting and (ii) partial triple graphs can be constructed as such a category. Together, those two more fundamental contributions enable us to develop our solution to the basic model synchronization problem in a fully formal manner and to prove its central properties

On the Use of Alloy in Engineering Domain Specific Modeling Languages

Domain Specific Modeling Languages (DSMLs) tend to play a central role in modern design processes as they enable the effective involvement of domain experts by focusing on a particular problem domain while abstracting away technical details. In this thesis, we investigate the specification of DSMLs with a particular focus on domain expert driven validation. Mainly, we are interested in developing Alloy-based approaches, allowing the definition of specifications from which instances can be generated and given to the domain experts for the sake of validation. The work we present in this thesis can be divided into three parts: The first part concerns the definition and execution of model transformations defined in Alloy. While Alloy analysis can be used as an execution engine for model transformations, the analysis process is time consuming. Model transformations playing a central role in DSML definitions, the development of a new model transformation language, named F-Alloy, retaining the benefits of Alloy with the added property of being efficiently computable was necessary. The second part focuses on validation. In that domain, our first contribution is a novel approach to the validation of model transformations called Visualization-Based Validation (VBV). VBV relies on the review by domain experts of intuitive depictions of model transformation traces to validate model transformation specifications. The whole process is made efficient by the usage of hybrid analysis, a combination of Alloy analysis and F-Alloy interpretation, allowing to reduce the time needed to analyze model transformations to the time needed to analyze its source. Our second contribution in the validation area is the definition of an Alloy-based approach to the specification and validation of DSMLs and of a design process defining how DSMLs can be validated using Alloy analysis at each iteration of the process. More precisely, we present how the abstract syntax, concrete syntax and operational semantics of a DSML can be defined using Alloy and F-Alloy, and show that the validation of a DSML' s abstract syntax and semantics benefits from the application of its concrete syntax. The third and last part aims at bringing those contributions to the practical world. To achieve this we developed a tool named Lightning implementing the aforementioned contributions. This tool, which belongs to the category of language workbenches, has been successfully used in an inter-disciplinary collaboration to define the Robot Perception System Language (RPSL). Based on this definition of RPSL, a framework has been developed to allow the execution of so called design space explorations. This framework represents a successful application of our approach to the real world problem of having RPSL specifications validated by experts in robotics

A Functional, Comprehensive and Extensible Multi-Platform Querying and Transformation Approach

This thesis is about a new model querying and transformation approach called FunnyQT which is realized as a set of APIs and embedded domain-specific languages (DSLs) in the JVM-based functional Lisp-dialect Clojure. Founded on a powerful model management API, FunnyQT provides querying services such as comprehensions, quantified expressions, regular path expressions, logic-based, relational model querying, and pattern matching. On the transformation side, it supports the definition of unidirectional model-to-model transformations, of in-place transformations, it supports defining bidirectional transformations, and it supports a new kind of co-evolution transformations that allow for evolving a model together with its metamodel simultaneously. Several properties make FunnyQT unique. Foremost, it is just a Clojure library, thus, FunnyQT queries and transformations are Clojure programs. However, most higher-level services are provided as task-oriented embedded DSLs which use Clojure's powerful macro-system to support the user with tailor-made language constructs important for the task at hand. Since queries and transformations are just Clojure programs, they may use any Clojure or Java library for their own purpose, e.g., they may use some templating library for defining model-to-text transformations. Conversely, like every Clojure program, FunnyQT queries and transformations compile to normal JVM byte-code and can easily be called from other JVM languages. Furthermore, FunnyQT is platform-independent and designed with extensibility in mind. By default, it supports the Eclipse Modeling Framework and JGraLab, and support for other modeling frameworks can be added with minimal effort and without having to modify the respective framework's classes or FunnyQT itself. Lastly, because FunnyQT is embedded in a functional language, it has a functional emphasis itself. Every query and every transformation compiles to a function which can be passed around, given to higher-order functions, or be parametrized with other functions

Designing a Change-Driven Language for Model Consistency Repair Routines

Ein Software-System kann während der Entwicklung durch verschiedene Modelle beschrieben werden, um unterschiedliche Teile oder Abstraktionen des Systems darzustellen. Diese Modelle können voneinander abhängige oder sogar redundante Informationen enthalten. Wenn ein Softwareentwickler an solchen Modellen Änderungen vornimmt ohne diese Abhängigkeiten zu beachten, können die Modelle inkonsistent werden. Ein Entwickler ist kaum in der Lage einen Überblick über alle Modelle eines Entwicklungsprozesses und deren Abhängigkeiten zu behalten. Daher sind automatisierte Verfahren zur Wiederherstellung von Konsistenz nach Modelländerungen notwendig. Existierende Methoden erlauben die deklarative Spezifikation von Abhängigkeiten zwischen Modellen, aus denen automatisiert Mechanismen zur Konsistenzerhaltung abgeleitet werden. Diese Ansätze sind in ihrer Ausdrucksmächtigkeit beschränkt und bieten nur eingeschränkten Einfluss auf die Art und Weise in der Konsistenz wiederhergestellt wird. Sie legen automatisiert eine Art der Wiederherstellung der Konsistenz fest, obwohl es verschiedene Möglichkeiten dafür gäbe. In dieser Arbeit stellen wir die änderungsgetriebene Response-Sprache für die Konsistenzerhaltung von Modellen vor. Sie erlaubt es, die Art und Weise der Wiederherstellung von Konsistenz explizit in imperativen Programmen festzulegen, welche als Reaktion auf festgelegte Änderungen ausgeführt werden. Zusätzlich bietet sie Sprachkonstrukte an, die wiederkehrende Reaktionen kapseln und wiederverwendbar machen. Wir führen einen Konsistenzbegriff mit dem Fokus auf Verständlichkeit ein und stellen eine Kategorisierung von möglichen Modelländerungen vor. Die Sprache ist entsprechend einer allgemeingültigen Struktur für die änderungsgetriebene Wiederherstellung von Konsistenz aufgebaut, welche wir aus unserem Konsistenzbegriff herleiten. Wir stellen eine Evaluation unseres Ansatzes anhand einer Fallstudie zur Konsistenzerhaltung von Architekturbeschreibungen und deren Implementierung in objektorientiertem Code vor. Die Evaluation zeigt die Anwendbarkeit der vorgestellten Sprache für die Sicherstellung von Modellkonsistenz in diesem konkreten Fall und verdeutlicht einige Vorteile gegenüber einer manuellen Implementierung der Mechanismen zur Konsistenzerhaltung

Explicitly Integrated Architecture - An Approach for Integrating Software Architecture Model Information with Program Code

Software-Architekturspezifikationen und -Implementierungen sind zwei Sichtweisen auf Softwarearchitektur. Sie beschreiben gemeinsame Aspekte, wie z.B. die Existenz und Verbindung von Komponenten. Die Spezifikation fügt Informationen zum Design, zur Kommunikation und zur Analyse hinzu. Die Implementierung beschreibt stattdessen zusätzlich Details für ein ausführbares System. Die Konsistenz zwischen diesen Darstellungen manuell zu verwalten, ist schwierig und fehleranfällig. Diese Arbeit stellt einen Ansatz vor, der Informationen der Architekturspezifikation vollständig in die Implementierung integriert, sodass die Spezifikation als eigenständiges Artefakt nicht mehr notwendig ist. Das Tool Codeling extrahiert die integrierte Architekturspezifikation in unterschiedlichen Sprachen aus dem Code und propagiert Änderungen in dieser Spezifikation automatisch an den Code zurück.Specifications and implementations are both viewpoints upon software architecture. Besides common aspects, the specification adds information for design, communication, or analysis, while the implementation adds details for an executable system instead. Managing the consistency between these representations manually is difficult and error-prone. This thesis presents an approach, that completely integrates architecture specifications with the implementation, so that separate specification artifacts are not necessary anymore. The tool Codeling extracts integrated architecture specifications in multiple languages from code, and automatically propagates changes in these specifications back to the code

Model consistency management for systems engineering

Um der Komplexität der interdisziplinären Entwicklung moderner technischer Systeme Herr zu werden, findet die Entwicklung heutzutage meist modellbasiert statt. Dabei werden zahlreiche verschiedene Modelle genutzt, die jeweils unterschiedliche Gesichtspunkte berücksichtigen und sich auf verschiedenen Abstraktionsebenen befinden. Wenn die hierbei auftretenden Inkonsistenzen zwischen den Modellen ungelöst bleiben, kann dies zu Fehlern im fertigen System führen. Modelltransformations- und -synchronisationstechniken sind ein vielversprechender Ansatz, um solche Inkonsistenzen zu erkennen und aufzulösen. Existierende Modellsynchronisationstechniken sind allerdings nicht mächtig genug, um die komplexen Beziehungen in so einem Entwicklungsszenario zu unterstützen. In dieser Arbeit wird eine neue Modellsynchronisationstechnik präsentiert, die es erlaubt, Modelle verschiedener Sichten und Abstraktionsebenen zu synchronisieren. Dabei werden Metriken zur Erhöhung des Automatisierungsgrads eingesetzt, die Expertenwissen abbilden. Der Ansatz erlaubt unterschiedliche Grade an Benutzerinteraktion, von vollautomatischer Funktionsweise bis zu feingranularen manuellen Entscheidungen.The development of complex mechatronic systems requires the close collaboration of different disciplines, like mechanical engineering, electrical engineering, control engineering, and software engineering. To tackle the complexity of such systems, such a development is heavily based on models. Engineers use several models on different abstraction levels, for different purposes and with different view-points. Usually, a discipline-spanning system model is developed during the first, interdisciplinary system design phase. For the implementation phase, the disciplines use different models and tools to develop the discipline-specific aspects of the system. During such a model-based development, inconsistencies between the different discipline-specific models and the discipline-spanning system model are likely to occur, because changes to discipline-specific models may affect the discipline-spanning system model and models of other disciplines. These inconsistencies lead to increased development time and costs if they remain unresolved. Model transformation and synchronization are promising techniques to detect and resolve such inconsistencies. However, existing model synchronization solutions are not powerful enough to support the complex consistency relations of such an application scenario. In this thesis, we present a novel model synchronization technique that allows for synchronized models with multiple views and abstraction levels. To minimize the information loss and improve automation during the synchronization, it employs metrics to encode expert knowledge. The approach can be customized to allow different amounts of user interaction, from full automation to fine-grained manual decisions.Tag der Verteidigung: 24.10.2014Paderborn, Univ., Diss., 201