Implicit Incremental Model Analyses and Transformations

When models of a system change, analyses based on them have to be reevaluated in order for the results to stay meaningful. In many cases, the time to get updated analysis results is critical. This thesis proposes multiple, combinable approaches and a new formalism based on category theory for implicitly incremental model analyses and transformations. The advantages of the implementation are validated using seven case studies, partially drawn from the Transformation Tool Contest (TTC)

Implicit Incremental Model Analyses and Transformations

In vielen Ingenieursdisziplinen werden Modelle verwendet, um Systeme verschiedenster Art auf einem hohen Abstraktionsgrad zu beschreiben. Auf diesem Abstraktionsgrad ist es häufig einfacher, Aussagen über den Zustand des Systems zu treffen. Wenn sich Modelle eines Systems ändern – beispielsweise, weil sich das System selbst geändert hat – müssen Analysen auf Grundlage dieses Modells jedoch neu berechnet werden, um weiterhin gültig zu sein. In vielen Fällen ist diese Neuberechnung der Analyseergebnisse zeitkritisch. Da sich oft nur kleine Teile des Modells ändern, könnten zwar große Teile des letzten Analysedurchlaufs durch eine inkrementelle Ausführung der Analyse wiederverwendet werden, in der Praxis ist eine solche Inkrementalisierung aber nicht trivial und oft fehleranfällig. Eine Lösungsmöglichkeit für dieses Problem bietet der Ansatz der impliziten Inkrementalisierung, bei der ein inkrementeller Algorithmus für eine gegebene Analyse aus der Batch-Spezifikation abgeleitet wird. Aus der Spezifikation wird ein dynamischer Abhängigkeitsgraph konstruiert, der es erlaubt, nur die Teile einer Analyse neu auszuwerten, die von einer Änderung tatsächlich betroffen sind. Damit lassen sich Vorteile einer Inkrementalisierung nutzen, ohne dass der Code angepasst werden muss und die Lesbarkeit des Analysecodes leidet. Leider unterstützen derzeitige Verfahren für implizite Inkrementalisierung nur eine bestimmte Klasse von Analysen, sind auf eine Inkrementalisierung auf Ebene von einzelnen Instruktionen beschränkt oder benötigen eine explizite Zustandsverwaltung. Auch mit diesen Verbesserungen ist unklar, in welchen Fällen eine Inkrementalisierung Vorteile bringt, da in einigen Szenarien Änderungen Schmetterlingseffekte verursachen können und eine Wiederverwertung des letzten Analysedurchlaufs keinerlei Beschleunigungspotential hat. Diese Dissertation behandelt diese Probleme bei impliziter Inkrementalisierung von Modellanalysen mittels mehrerer Verfahren, die größtenteils kombinierbar sind. Desweiteren wird ein neuer Formalismus vorgestellt, mit dessen Hilfe Inkrementalisierungssysteme auch für uni- oder bidirektionale Modelltransformationen einsetzbar sind. Um die Korrektheit der entstehenden inkrementellen Modellanalysen zu definieren und zu zeigen, wird Inkrementalisierung in Kategorientheorie als Funktor beschrieben. Ein erstes Verfahren ermöglicht als direkte Konsequenz der formalen Darstellung die Inkrementalisierung auf Ebene von Methodenaufrufen, sodass für häufig verwendete Operatoren eine optimierte Inkrementalisierung zur Verfügung gestellt werden kann. Durch Erweiterung des Funktors auf Verteilung lassen sich auf ähnliche Weise auch etwaige Speicherprobleme lösen. Ein zweites Verfahren vereinfacht die entstehenden dynamischen Abhängigkeitsgraphen, indem Teile der Analyse durch eine generalisierte Betrachtung von Modelländerungen mit mehreren Strategien zusammengefasst werden können. Die Auswahl der Strategien ermöglicht dem Entwickler eine Anpassung der Inkrementalisierung auf einen konkreten Anwendungsfall. Alternativ kann für ein gegebenes Szenario auch durch automatische Entwurfsraumexploration eine (Pareto-) optimale Konfiguration hinsichtlich Speicherverbrauch und Antwortzeit der Aktualisierung eines Analyseergebnisses nach einer Modelländerung gefunden werden. Die Kombination dieser Verfahren ermöglicht es, die Performanz von Inkrementalisierungen so zu verbessern, dass diese bis auf einmalige Initialisierung nie schlechter ist als die batchmäßige Wiederholung der Analyse, in vielen Fällen aber teils deutlich schneller sein kann. Generische Operatoren, die in vielen Modellanalysen wiederverwendet werden, können für die Inkrementalisierung durch geeignete Algorithmen spezifisch optimiert werden, während komplexe Domänenlogik durch das System optimiert werden kann. Durch den impliziten Ansatz geschehen diese Verbesserungen vollautomatisch und transparent für den Entwickler der Modellanalyse. Obwohl der so geschaffene Ansatz Turing-mächtig und somit universell einsetzbar ist, gibt es doch gerade in der modellgetriebenen Entwicklung eine Klasse von Artefakten, die eine besondere Betrachtung erfordern, da sie sich im Allgemeinen nur schwer mit gewöhnlichen objekt-orientierten Sprachen beschreiben lassen: Modelltransformationen. Daher wird in dieser Dissertation ein neuer Formalismus und eine darauf aufbauende Sprache vorgestellt, die Modelltransformationen so beschreiben, dass diese leicht mit Hilfe eines Inkrementalisierungssystems inkrementell ausgeführt werden können. Die Synchronisierung einer Modelländerung ist hierbei bewiesen korrekt und hippokratisch. Alle Verfahren wurden implementiert und in das .NET Modeling Framework integriert, welches Entwickler auf der .NET Plattform bei der modellgetriebenen Entwicklung unterstützen soll. Die entstandenen Vorteile aller Verfahren hinsichtlich Performanz werden anhand von sieben Fallstudien in verschiedenen Domänen validiert. Insbesondere werden hierzu fünf Fallstudien des Transformation Tool Contests (TTC) der Jahre 2015 bis 2017 herangezogen, für die auch mit anderen Ansätzen verfasste Lösungen zur Verfügung stehen. Die Ausdrucksmächtigkeit der Modelltransformationssprache wird durch eine Transformation der in der modellgetriebenen Entwicklung weit verbreiteten Transformationssprache ATL in die neu geschaffene Transformationssprache validiert. Mithilfe dieser Transformation wird weiterhin die Ausführungsgeschwindigkeit von Modelltransformationen mit der von ATL in einigen Modelltransformationen verglichen. Die Ergebnisse aus den Fallstudien zeigen gerade bei der Anwendung des Inkrementalisierungssystems auf Modelltransformationen deutliche Performance-Steigerungen im Vergleich zu herkömmlichen Modelltransformationen, aber auch gegenüber anderen inkrementellen Modelltransformationssprachen zeigt der vorgestellte Ansatz deutliche Beschleunigungen, teils um mehrere Größenordnungen. Insbesondere weisen die Fallstudien darauf hin, dass die benötigte Zeit für die Propagation von Änderungen des Eingabemodells in vielen Fällen unabhängig von der Größe des Eingabemodells ist. Gerade bei großen Eingabemodellen kommen so sehr hohe Beschleunigungen zustande. Die Inkrementalisierung einer Analyse ist dabei immer an das Metamodell gebunden. In der Praxis verwenden aber die meisten eingesetzten Metamodelle nur den eingeschränkten Modellierungsstandard EMOF, der teilweise zu einer unnötigen Komplexität des Metamodells führt und viele Analysen überhaupt erst notwendig macht. Eine Erweiterung des Modellierungsstandards kann hier einige Klassen von Modellanalysen komplett überflüssig machen und andere Analysen deutlich vereinfachen, sowie auch die Performance der entsprechenden Analyse beschleunigen

Industrial Relations System Transformation

This paper analyzes the concept of “transformation” that many allege has occurred recently in a wide variety of national industrial relations systems. After a summary of the debate, with particular reference to the contentious case of Germany, the authors attempt to develop a definition of industrial relations system transformation on the basis of biological analogies and, in particular, the “punctuated equilibrium” theory. They examine the cases of the United States, Sweden, South Africa, and New Zealand, and conclude that the application of the biological frameworks raises a set of fundamental questions that must be addressed in order for the debate over the existence of industrial relations transformation to move forward

Building the Scientific Modeling Assistant: An interactive environment for specialized software design

The construction of scientific software models is an integral part of doing science, both within NASA and within the scientific community at large. Typically, model-building is a time-intensive and painstaking process, involving the design of very large, complex computer programs. Despite the considerable expenditure of resources involved, completed scientific models cannot easily be distributed and shared with the larger scientific community due to the low-level, idiosyncratic nature of the implemented code. To address this problem, we have initiated a research project aimed at constructing a software tool called the Scientific Modeling Assistant. This tool provides automated assistance to the scientist in developing, using, and sharing software models. We describe the Scientific Modeling Assistant, and also touch on some human-machine interaction issues relevant to building a successful tool of this type

A Case Study in Refactoring Functional Programs

Refactoring is the process of redesigning existing code without changing its functionality. Refactoring has recently come to prominence in the OO community. In this paper we explore the prospects for refactoring functional programs. Our paper centres on the case study of refactoring a 400 line Haskell program written by one of our students. The case study illustrates the type and variety of program manipulations involved in refactoring. Similarly to other program transformations, refactorings are based on program equivalences, and thus ultimately on language semantics. In the context of functional languages, refactorings can be based on existing theory and program analyses. However, the use of program transformations for program restructuring emphasises a different kind of transformation from the more traditional derivation or optimisation: characteristically, they often require wholesale changes to a collection of modules, and although they are best controlled by programmers, their application may require nontrivial semantic analyses. The paper also explores the background to refactoring, provides a taxonomy for describing refactorings and draws some conclusions about refactoring for functional programs

Refactoring Functional Programs

Refactoring is the process of redesigning existing code without changing its functionality. Refactoring has recently come to prominence in the OO community. In this paper we explore the prospects for refactoring functional programs. Our paper centres on the case study of refactoring a 400 line Haskell program written by one of our students. The case study illustrates the type and variety of program manipulations involved in refactoring. Similarly to other program transformations, refactorings are based on program equivalences, and thus ultimately on language semantics. In the context of functional languages, refactorings can be based on existing theory and program analyses. However, the use of program transformations for program restructuring emphasises a different kind of transformation from the more traditional derivation or optimisation: characteristically, they often require wholesale changes to a collection of modules, and although they are best controlled by programmers, their application may require nontrivial semantic analyses. The paper also explores the background to refactoring, provides a taxonomy for describing refactorings and draws some conclusions about refactoring for functional programs

Nonlinear transient analysis via energy minimization

The formulation basis for nonlinear transient analysis of finite element models of structures using energy minimization is provided. Geometric and material nonlinearities are included. The development is restricted to simple one and two dimensional finite elements which are regarded as being the basic elements for modeling full aircraft-like structures under crash conditions. The results indicate the effectiveness of the technique as a viable tool for this purpose

On the stability of the recently developed nice integration scheme

The paper deals with the integration of elasto-plastic constitutive models using recently developed NICE integration scheme [1],[2]. The emphasis is put on the stability of the integration, since this issue was not sufficiently addressed in previous publications of the NICE. Nonlinear boundary value problems are nowadays typically solved numerically using finite element method (FEM) with implicit “static” (e.g. ABAQUS/Standard) or explicit “dynamic” approach (e.g. ABAQUS/Explicit). The NICE scheme was primarily developed for the integration of elasto-plastic constitutive models within explicit integration of a given boundary value problem, as a replacement for traditionally used backward-Euler scheme. The simplicity of the implementation, more than satisfactory accuracy and low time consumption of calculation, certainly outperforms the properties of other available schemes, including properties of the backward-Euler scheme. The only open issue regarding the NICE scheme is its conditional stability, which originates from the integration of evolution equations in a “forward” manner, whereas the backward-Euler scheme exhibits unconditional stability. The aim of this paper is to derive stable time increment for the NICE scheme and to show, that for practical quasi-static applications it is much larger than the stable time increment size given for the integration of dynamic boundary value problem equations