Model-based development of energy-efficient automation systems

Der Energieverbrauch ist ein immer wichtigeres Entscheidungskriterium, das bei der Suche nach guten architektonischen und gestalterischen Alternativen technischer Systeme einbezogen werden muss. Diese Monographie stellt eine Methodik für das modellbasierte Engineering energieeffizienter Automatisierungssysteme vor. In dieser Monografie wird ein eingebettetes System als eine Kombination der Prozessorhardware und des Softwareteils betrachtet. Im entwickelten Verfahren wird der erste Teil durch ein Betriebsmodell (operational model) beschrieben, das alle möglichen Zustände und Übergänge des betrachteten Systems darstellt. Der letzte Teil wird durch ein Anwendungsmodell (application model) repräsentiert, das den Arbeitsablauf eines konkreten für dieses System erstellten Programms widerspiegelt. Gemeinsam werden die beiden Modelle in ein stochastisches Petri-Netz umgewandelt, um eine Analyse des Systems zu ermöglichen. Die entwickelten Transformationsregeln werden vorgestellt und mathematisch beschrieben. Es ist dann möglich, die Leistungsaufnahme des Systems mittels einer Standardauswertung von Petri-Netzen vorherzusagen. Die UML (vereinheitlichte Modellierungssprache) wird in dieser Monographie für die Modellierung der Echtzeitsysteme verwendet. Die mit dem MARTE-Profil (Modellierung und Analyse der Echtzeit- und eingebetteten Systeme) erweiterten Zustandsübergangsdiagramme sind für die Modellierung und Leistungsbewertung ausgewählt. Die vorgestellte Methodik wird durch eine Implementierung der notwendigen Algorithmen und grafischen Editoren in der integrierten Entwicklungsumgebung TimeNET unterstützt. Die entwickelte Erweiterung implementiert die vorgestellte Methode zur Modellierung und Bewertung des Energieverbrauchs basierend auf den erweiterten UML-Modellen, die nun automatisch in ein stochastisches Petri-Netz transformiert werden können. Der Energieverbrauch des Systems kann dann durch die Analyse-Module für stochastische Petri-Netze von TimeNET vorhergesagt werden. Die Vorteile der vorgeschlagenen Methode werden anhand von Anwendungsbeispielen demonstriert.Power consumption is an increasingly important decision criterion that has to be included in the search for good architectural and design alternatives of technical systems. This monograph presents a methodology for the model-based engineering of energy-aware automation systems. In this monograph, an embedded system is considered as an alliance of the processor hardware and the software part. In the developed method, the former part is described by an operational model, which depicts all possible states and transitions of the system under consideration. The latter part is represented by an application model, which reflects the workflow of a concrete program created for this system. Together, these two models are translated into one stochastic Petri net to make analyzing of the system possible. The developed transformation rules are presented and described mathematically. It is then possible to predict the system’s power consumption by a standard evaluation of Petri nets. The Unified Modeling Language (UML) is used in this monograph for modeling of real-time systems. State machine diagrams extended with the MARTE profile (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems) are chosen for modeling and performance evaluation. The presented methodology is supported by an implementation of the necessary algorithms and graphical editors in the software tool TimeNET. The developed extension implements the presented method for power consumption modeling and evaluation based on the extended UML models, which now can be automatically transformed into a stochastic Petri net. The system’s power consumption can be then predicted by the standard Petri net analysis modules of TimeNET. The methodology is validated and its advantages are demonstrated using application examples

Quantitative Analysis of Apache Storm Applications: The NewsAsset Case Study

The development of Information Systems today faces the era of Big Data. Large volumes of information need to be processed in real-time, for example, for Facebook or Twitter analysis. This paper addresses the redesign of NewsAsset, a commercial product that helps journalists by providing services, which analyzes millions of media items from the social network in real-time. Technologies like Apache Storm can help enormously in this context. We have quantitatively analyzed the new design of NewsAsset to assess whether the introduction of Apache Storm can meet the demanding performance requirements of this media product. Our assessment approach, guided by the Unified Modeling Language (UML), takes advantage, for performance analysis, of the software designs already used for development. In addition, we converted UML into a domain-specific modeling language (DSML) for Apache Storm, thus creating a profile for Storm. Later, we transformed said DSML into an appropriate language for performance evaluation, specifically, stochastic Petri nets. The assessment ended with a successful software design that certainly met the scalability requirements of NewsAsset

Extra Functional Properties Evaluation of Self-managed Software Systems with Formal Methods

Multitud de aplicaciones software actuales están abocadas a operar en contextos dinámicos. Estos pueden manifestarse en términos de cambios en el entorno de ejecución de la aplicación, cambios en los requisitos de la aplicación, cambios en la carga de trabajo recibida por la aplicación, o cambios en cualquiera de los elementos que la aplicación software pueda percibir y verse afectada. Además, estos contextos dinámicos no están restringidos a un dominio particular de aplicaciones sino que se pueden encontrar en múltiples dominios, tales como: sistemas empotrados, arquitecturas orientadas a servicios, clusters para computación de altas prestaciones, dispositivos móviles o software para el funcionamiento de la red. La existencia de estas características disuade a los ingenieros de desarrollar software que no sea capaz de cambiar de modo alguno su ejecución para acomodarla al contexto en el que se está ejecutando el software en cada momento. Por lo tanto, con el objetivo de que el software pueda satisfacer sus requisitos en todo momento, este debe incluir mecanismos para poder cambiar su configuración de ejecución. Además, debido a que los cambios de contexto son frecuentes y afectan a múltiples dispositivos de la aplicación, la intervención humana que cambie manualmente la configuración del software no es una solución factible. Para enfrentarse a estos desafíos, la comunidad de Ingeniería del Software ha propuesto nuevos paradigmas que posibilitan el desarrollo de software que se enfrenta a contextos cambiantes de un modo automático; por ejemplo las propuestas Autonomic Computing y Self-* Software. En tales propuestas es el propio software quien gestiona sus mecanismos para cambiar la configuración de ejecución, sin requerir por lo tanto intervención humana alguna. Un aspecto esencial del software auto-adaptativo (Self-adaptive Software es uno de los términos más generales para referirse a Self-* Software) es el de planear sus cambios o adaptaciones. Los planes de adaptación determinan tanto el modo en el que se adaptará el software como los momentos oportunos para ejecutar tales adaptaciones. Hay un gran conjunto de situaciones para las cuales la propiedad de auto- adaptación es una solución. Una de esas situaciones es la de mantener al sistema satisfaciendo sus requisitos extra funcionales, tales como la calidad de servicio (Quality of Service, QoS) y su consumo de energía. Esta tesis ha investigado esa situación mediante el uso de métodos formales. Una de las contribuciones de esta tesis es la propuesta para asentar en una arquitectura software los sistemas que son auto-adaptativos respecto a su QoS y su consumo de energía. Con este objetivo, esta parte de la investigación la guía una arquitectura de tres capas de referencia para sistemas auto-adaptativos. La bondad del uso de una arquitectura de referencia es que muestra fácilmente los nuevos desafíos en el diseño de este tipo de sistemas. Naturalmente, la planificación de la adaptación es una de las actividades consideradas en la arquitectura. Otra de las contribuciones de la tesis es la propuesta de métodos para la creación de planes de adaptación. Los métodos formales juegan un rol esencial en esta actividad, ya que posibilitan el estudio de las propiedades extra funcionales de los sistemas en diferentes configuraciones. El método formal utilizado para estos análisis es el de las redes de Petri markovianas. Una vez que se ha creado el plan de adaptación, hemos investigado la utilización de los métodos formales para la evaluación de QoS y consumo de energía de los sistemas auto-adaptativos. Por lo tanto, se ha contribuido a la comunidad de análisis de QoS con el análisis de un nuevo y particularmente complejo tipo de sistemas software. Para llevar a cabo este análisis se requiere el modelado de los cambios din·micos del contexto de ejecución, para lo que se han utilizado una variedad de métodos formales, como los Markov modulated Poisson processes para estimar los parámetros de las variaciones en la carga de trabajo recibida por la aplicación, o los hidden Markov models para predecir el estado del entorno de ejecución. Estos modelos han sido usados junto a las redes de Petri para evaluar sistemas auto-adaptativos y obtener resultados sobre su QoS y consumo de energía. El trabajo de investigación anterior sacó a la luz el hecho de que la adaptabilidad de un sistema no es una propiedad tan fácilmente cuantificable como las propiedades de QoS -por ejemplo, el tiempo de respuesta- o el consumo de energÌa. En consecuencia, se ha investigado en esa dirección y, como resultado, otra de las contribuciones de esta tesis es la propuesta de un conjunto de métricas para la cuantificación de la propiedad de adaptabilidad de sistemas basados en servicios. Para conseguir las anteriores contribuciones se realiza un uso intensivo de modelos y transformaciones de modelos; tarea para la que se han seguido las mejores prácticas en el campo de investigación de la Ingeniería orientada a modelos (Model-driven Engineering, MDE). El trabajo de investigación de esta tesis en el campo MDE ha contribuido con: el aumento de la potencia de modelado de un lenguaje de modelado de software propuesto anteriormente y métodos de transformación desde dos lenguajes de modelado de software a redes de Petri estocasticas

Safety and Reliability - Safe Societies in a Changing World

The contributions cover a wide range of methodologies and application areas for safety and reliability that contribute to safe societies in a changing world. These methodologies and applications include: - foundations of risk and reliability assessment and management - mathematical methods in reliability and safety - risk assessment - risk management - system reliability - uncertainty analysis - digitalization and big data - prognostics and system health management - occupational safety - accident and incident modeling - maintenance modeling and applications - simulation for safety and reliability analysis - dynamic risk and barrier management - organizational factors and safety culture - human factors and human reliability - resilience engineering - structural reliability - natural hazards - security - economic analysis in risk managemen