Comparison of approaches for self-improvement in self-adaptive systems (extended version)

Various trends such as mobility of devices, Cloud Computing, or Cyber-Physical Systems lead to a higher degree of distribution. These systems-of-systems need to be integrated. The integration of various subsystems still remains a challenge. Self-improvement within self-adaptive systems can help to shift integration tasks from the static design time to the runtime, which fits the dynamic needs of these systems. Thus, it can enable the integration of system parts at runtime. In this paper, we define self-improvement as an adaptation of an Autonomic Computing system’s adaptation logic. We present an overview of approaches for self-improvement in the domains of Autonomic Computing and self-adaptive systems. Based on a taxonomy for self-adaptation, we compare the approaches and categorize them. The categorization shows that the approaches focus either on structural or parameter adaptation but seldomly combine both. Based on the categorization, we elaborate challenges, that need to be addressed by future approaches for offering self-improving system integration at runtime

Model-driven engineering for mobile robotic systems: a systematic mapping study

Mobile robots operate in various environments (e.g. aquatic, aerial, or terrestrial), they come in many diverse shapes and they are increasingly becoming parts of our lives. The successful engineering of mobile robotics systems demands the interdisciplinary collaboration of experts from different domains, such as mechanical and electrical engineering, artificial intelligence, and systems engineering. Research and industry have tried to tackle this heterogeneity by proposing a multitude of model-driven solutions to engineer the software of mobile robotics systems. However, there is no systematic study of the state of the art in model-driven engineering (MDE) for mobile robotics systems that could guide research or practitioners in finding model-driven solutions and tools to efficiently engineer mobile robotics systems. The paper is contributing to this direction by providing a map of software engineering research in MDE that investigates (1) which types of robots are supported by existing MDE approaches, (2) the types and characteristics of MRSs that are engineered using MDE approaches, (3) a description of how MDE approaches support the engineering of MRSs, (4) how existing MDE approaches are validated, and (5) how tools support existing MDE approaches. We also provide a replication package to assess, extend, and/or replicate the study. The results of this work and the highlighted challenges can guide researchers and practitioners from robotics and software engineering through the research landscape

A survey on engineering approaches for self-adaptive systems (extended version)

The complexity of information systems is increasing in recent years, leading to increased effort for maintenance and configuration. Self-adaptive systems (SASs) address this issue. Due to new computing trends, such as pervasive computing, miniaturization of IT leads to mobile devices with the emerging need for context adaptation. Therefore, it is beneficial that devices are able to adapt context. Hence, we propose to extend the definition of SASs and include context adaptation. This paper presents a taxonomy of self-adaptation and a survey on engineering SASs. Based on the taxonomy and the survey, we motivate a new perspective on SAS including context adaptation

Zone-based formal specification and timing analysis of real-time self-adaptive systems

Self-adaptive software systems are able to autonomously adapt their behavior at run-time to react to internal dynamics and to uncertain and changing environment conditions. Formal specification and verification of self-adaptive systems are tasks generally very difficult to carry out, especially when involving time constraints. In this case, in fact, the system correctness depends also on the time associated with events. This article introduces the Zone-based Time Basic Petri nets specification formalism. The formalism adopts timed adaptation models to specify self-adaptive behavior with temporal constraints, and relies on a zone-based modeling approach to support separation of concerns. Zones identified during the modeling phase can be then used as modules either in isolation, to verify intra-zone properties, or all together, to verify inter-zone properties over the entire system. In addition, the framework allows the verification of (timed) robustness properties to guarantee self-healing capabilities when higher levels of reliability and availability are required to the system, especially when dealing with time-critical systems. This article presents also the ZAFETY tool, a Java software implementation of the proposed framework, and the validation and experimental results obtained in modeling and verifying two time-critical self-adaptive systems: the Gas Burner system and the Unmanned Aerial Vehicle system

Automatisierte Analyse integrierter Software-Produktlinien-Spezifikationen

Der Trend zur Digitalisierung führt zu neuen Anwendungsszenarien (z.B. Industrie 4.0, Internet der Dinge, intelligente Stromnetze), die laufzeitadaptive Software-Systeme erfordern, die sich durch kontinuierliche Rekonfiguration an verändernde Umgebungsbedingungen anpassen. Integrierte Software-Produktlinien-Spezifikationen ermöglichen die präzise Beschreibung von Konsistenzeigenschaften derartiger Systeme in einer einheitlichen Repräsentation. So bietet die Spezifikationssprache Clafer sowohl Sprachmittel zur Charakterisierung der Laufzeitvariabilität eines Systems als auch für die rekonfigurierbaren Bestandteile der Systemarchitektur sowie komplexer Abhängigkeiten. In Clafer-Spezifikationen werden hierzu Sprachkonstrukte aus UML-Klassendiagrammen und Meta-Modellierungssprachen zusammen mit Feature-orientierten Modellierungstechniken und Constraints in Prädikatenlogik erster Stufe kombiniert. Durch die beträchtliche Ausdrucksstärke neigen derartige integrierte Produktlinien-Spezifikationen in der Praxis dazu, sehr komplex zu werden (z.B. aufgrund versteckter Abhängigkeiten zwischen Konfigurationsoptionen und Komponenten). Sie sind daher äußerst anfällig für Spezifikationsfehler in Form von Inkonsistenzen oder Entwurfsschwächen in Form von Anomalien. Inkonsistenzen und Anomalien müssen jedoch möglichst früh im Entwurfsprozess erkannt und behoben werden, um drastische Folgekosten zur Laufzeit eines Systems zu vermeiden. Aus diesem Grund sind statische Analysetechniken zur automatisierten Analyse integrierter Software-Produktlinien-Spezifikationen unabdingbar. Existierende Ansätze zur Konsistenzprüfung erfordern, dass der Suchraum für die Instanzsuche vorab entweder manuell oder durch heuristisch identifizierte Schranken eingeschränkt wird. Da, falls keine Instanz gefunden werden kann, nicht bekannt ist, ob dies durch einen zu klein gewählten Suchraum oder eine tatsächliche Inkonsistenz verursacht wurde, sind existierende Analyseverfahren inhärent unvollständig und praktisch nur eingeschränkt nutzbar. Darüber hinaus wurden bisher noch keine Analysen zur Identifikation von Anomalien vorgeschlagen, wie sie beispielsweise in Variabilitätsmodellen auftreten können. Weiterhin erlauben existierende Verfahren zwar die Handhabung von ganzzahligen Attributen, ermöglichen jedoch keine effiziente Analyse von Spezifikationen die zusätzlich reellwertige Attribute aufweisen. In dieser Arbeit präsentieren wir einen Ansatz zur automatisierten Analyse integrierter Software-Produktlinien-Spezifikationen, die in der Sprache Clafer spezifiziert sind. Hierfür präsentieren wir eine ganzheitliche Spezifikation der strukturellen Konsistenzeigenschaften laufzeitadaptiver Software-Systeme und schlagen neuartige Anomalietypen vor, die in Clafer-Spezifikationen auftreten können. Wir charakterisieren eine Kernsprache, die eine vollständige und korrekte Analyse von Clafer-Spezifikationen ermöglicht. Wir führen zusätzlich eine neuartige semantische Repräsentation als mathematisches Optimierungsproblem ein, die über die Kernsprache hinaus eine effiziente Analyse praxisrelevanter Clafer-Spezifikationen ermöglicht und die Anwendung etablierter Standard-Lösungsverfahren erlaubt. Die Methoden und Techniken dieser Arbeit werden anhand eines durchgängigen Beispiels eines selbst-adaptiven Kommunikationssystems illustriert und prototypisch implementiert. Die experimentelle Evaluation zeigt die Effektivität unseres Analyseverfahrens sowie erhebliche Verbesserungen der Laufzeiteffizienz im Vergleich zu etablierten Verfahren