A Reference Structure for Modular Model-based Analyses

Kontext: In dieser Arbeit haben wir die Evolvierbarkeit, Verständlichkeit und Wiederverwendbarkeit von modellbasierten Analysen untersucht. Darum untersuchten wir die Wechselbeziehungen zwischen Modellen und Analysen, insbesondere die Struktur und Abhängigkeiten von Artefakten und die Dekomposition und Komposition von modellbasierten Analysen. Herausforderungen: Softwareentwickler verwenden Modelle von Softwaresystemen, um die Evolvierbarkeit und Wiederverwendbarkeit eines Architekturentwurfs zu bestimmen. Diese Modelle ermöglichen die Softwarearchitektur zu analysieren, bevor die erste Zeile Code geschreiben wird. Aufgrund evolutionärer Veränderungen sind modellbasierte Analysen jedoch auch anfällig für eine Verschlechterung der Evolvierbarkeit, Verständlichkeit und Wiederverwendbarkeit. Diese Probleme lassen sich auf die Ko-Evolution von Modellierungssprache und Analyse zurückführen. Der Zweck einer Analyse ist die systematische Untersuchung bestimmter Eigenschaften eines zu untersuchenden Systems. Nehmen wir zum Beispiel an, dass Softwareentwickler neue Eigenschaften eines Softwaresystems analysieren wollen. In diesem Fall müssen sie Merkmale der Modellierungssprache und die entsprechenden modellbasierten Analysen anpassen, bevor sie neue Eigenschaften analysieren können. Merkmale in einer modellbasierten Analyse sind z.\,B. eine Analysetechnik, die eine solche Qualitätseigenschaft analysiert. Solche Änderungen führen zu einer erhöhten Komplexität der modellbasierten Analysen und damit zu schwer zu pflegenden modellbasierten Analysen. Diese steigende Komplexität verringert die Verständlichkeit der modellbasierten Analysen. Infolgedessen verlängern sich die Entwicklungszyklen, und die Softwareentwickler benötigen mehr Zeit, um das Softwaresystem an veränderte Anforderungen anzupassen. Stand der Technik: Derzeitige Ansätze ermöglichen die Kopplung von Analysen auf einem System oder über verteilte Systeme hinweg. Diese Ansätze bieten die technische Struktur für die Kopplung von Simulationen, nicht aber eine Struktur wie Komponenten (de)komponiert werden können. Eine weitere Herausforderung beim Komponieren von Analysen ist der Verhaltensaspekt, der sich darin äußert, wie sich die Analysekomponenten gegenseitig beeinflussen. Durch die Synchronisierung jeder beteiligten Simulation erhöht die Modularisierung von Simulationen den Kommunikationsbedarf. Derzeitige Ansätze erlauben es, den Kommunikationsaufwand zu reduzieren; allerdings werden bei diesen Ansätzen die Dekomposition und Komposition dem Benutzer überlassen. Beiträge: Ziel dieser Arbeit ist es, die Evolvierbarkeit, Verständlichkeit und Wiederverwendbarkeit von modellbasierten Analysen zu verbessern. Zu diesem Zweck wird die Referenzarchitektur für domänenspezifische Modellierungssprachen als Grundlage genommen und die Übertragbarkeit der Struktur der Referenzarchitektur auf modellbasierte Analysen untersucht. Die geschichtete Referenzarchitektur bildet die Abhängigkeiten der Analysefunktionen und Analysekomponenten ab, indem sie diese bestimmten Schichten zuordnet. Wir haben drei Prozesse für die Anwendung der Referenzarchitektur entwickelt: (i) Refactoring einer bestehenden modellbasierten Analyse, (ii) Entwurf einer neuen modellbasierten Analyse und (iii) Erweiterung einer bestehenden modellbasierten Analyse. Zusätzlich zur Referenzarchitektur für modellbasierte Analysen haben wir wiederkehrende Strukturen identifiziert, die zu Problemen bei der Evolvierbarkeit, Verständlichkeit und Wiederverwendbarkeit führen; in der Literatur werden diese wiederkehrenden Strukturen auch als Bad Smells bezeichnet. Wir haben etablierte modellbasierte Analysen untersucht und dreizehn Bad Smells identifiziert und spezifiziert. Neben der Spezifizierung der Bad Smells bieten wir einen Prozess zur automatischen Identifizierung dieser Bad Smells und Strategien für deren Refactoring, damit Entwickler diese Bad Smells vermeiden oder beheben können. In dieser Arbeit haben wir auch eine Modellierungssprache zur Spezifikation der Struktur und des Verhaltens von Simulationskomponenten entwickelt. Simulationen sind Analysen, um ein System zu untersuchen, wenn das Experimentieren mit dem bestehenden System zu zeitaufwändig, zu teuer, zu gefährlich oder einfach unmöglich ist, weil das System (noch) nicht existiert. Entwickler können die Spezifikation nutzen, um Simulationskomponenten zu vergleichen und so identische Komponenten zu identifizieren. Validierung: Die Referenzarchitektur für modellbasierte Analysen, haben wir evaluiert, indem wir vier modellbasierte Analysen in die Referenzarchitektur überführt haben. Wir haben eine szenariobasierte Evaluierung gewählt, die historische Änderungsszenarien aus den Repositories der modellbasierten Analysen ableitet. In der Auswertung können wir zeigen, dass sich die Evolvierbarkeit und Verständlichkeit durch die Bestimmung der Komplexität, der Kopplung und der Kohäsion verbessert. Die von uns verwendeten Metriken stammen aus der Informationstheorie, wurden aber bereits zur Bewertung der Referenzarchitektur für DSMLs verwendet. Die Bad Smells, die durch die Co-Abhängigkeit von modellbasierten Analysen und ihren entsprechenden DSMLs entstehen, haben wir evaluiert, indem wir vier modellbasierte Analysen nach dem Auftreten unserer schlechten Gerüche durchsucht und dann die gefundenen Bad Smells behoben haben. Wir haben auch eine szenariobasierte Auswertung gewählt, die historische Änderungsszenarien aus den Repositories der modellbasierten Analysen ableitet. Wir können zeigen, dass die Bad Smells die Evolvierbarkeit und Verständlichkeit negativ beeinflussen, indem wir die Komplexität, Kopplung und Kohäsion vor und nach der Refaktorisierung bestimmen. Den Ansatz zum Spezifizieren und Finden von Komponenten modellbasierter Analysen haben wir evaluiert, indem wir Komponenten von zwei modellbasierten Analysen spezifizieren und unseren Suchalgorithmus verwenden, um ähnliche Analysekomponenten zu finden. Die Ergebnisse der Evaluierung zeigen, dass wir in der Lage sind, ähnliche Analysekomponenten zu finden und dass unser Ansatz die Suche nach Analysekomponenten mit ähnlicher Struktur und ähnlichem Verhalten und damit die Wiederverwendung solcher Komponenten ermöglicht. Nutzen: Die Beiträge unserer Arbeit unterstützen Architekten und Entwickler bei ihrer täglichen Arbeit, um wartbare und wiederverwendbare modellbasierte Analysen zu entwickeln. Zu diesem Zweck stellen wir eine Referenzarchitektur bereit, die die modellbasierte Analyse und die domänenspezifische Modellierungssprache aufeinander abstimmt und so die Koevolution erleichtert. Zusätzlich zur Referenzarchitektur bieten wir auch Refaktorisierungsoperationen an, die es Architekten und Entwicklern ermöglichen, eine bestehende modellbasierte Analyse an die Referenzarchitektur anzupassen. Zusätzlich zu diesem technischen Aspekt haben wir drei Prozesse identifiziert, die es Architekten und Entwicklern ermöglichen, eine neue modellbasierte Analyse zu entwickeln, eine bestehende modellbasierte Analyse zu modularisieren und eine bestehende modellbasierte Analyse zu erweitern. Dies geschieht natürlich so, dass die Ergebnisse mit der Referenzarchitektur konform sind. Darüber hinaus ermöglicht unsere Spezifikation den Entwicklern, bestehende Simulationskomponenten zu vergleichen und sie bei Bedarf wiederzuverwenden. Dies erspart den Entwicklern die Neuimplementierung von Komponenten

Creating signed directed graph models for process plants

The identification of possible hazards in chemical plants is a very important part of the design process. This is because of the potential danger that large chemical installations pose to the public. One possible route for speeding up the identification of hazards in chemical plants is to use computers to identify hazards automatically. This will facilitate safe plant design and will avoid late design changes which can be very costly to implement. Previous research at Loughborough has concentrated on developing a model-based approach and an analysis algorithm for automating hazard identification. The results generated have demonstrated the technical feasibility of the approach. This approach requires a knowledge-base of unit models. This library of models describes how different plant equipment behaves in qualitative terms. The research described in this thesis develops a method for creating and testing the equipment models. The model library was previously achieved by an expert writing the models in a format that could be directly used by the system described above. An engineer unfamililar with the system would find this difficult. An alternative method would have been to use an intermediary (a knowledge engineer) to gather information from the engineer and convert it into the system format. This would be expensive. Both methods would take up a lot of the engineer's time. An engineer should be able to enter information personally in order to maintain efficiency and avoid information loss through the intermediary. A front end interface has been built to the system which enables an expert to enter information directly without needing to understand details of the application system. This interface incorporates ideas from the knowledge acquisition field in order to produce a tool that is simple to use. Unit-based qualitative modelling can lead to incorrect or ambiguous inference. The method developed here identifies situations where ambiguities may arise. A new modular approach is presented to overcome this type of problem. This method also presents a technique to verify that the models created are both complete and correct

Event-B in the Institutional Framework: Defining a Semantics, Modularisation Constructs and Interoperability for a Specification Language

Event-B is an industrial-strength specification language for verifying the properties of a given system’s specification. It is supported by its Eclipse-based IDE, Rodin, and uses the process of refinement to model systems at different levels of abstraction. Although a mature formalism, Event-B has a number of limitations. In this thesis, we demonstrate that Event-B lacks formally defined modularisation constructs. Additionally, interoperability between Event-B and other formalisms has been achieved in an ad hoc manner. Moreover, although a formal language, Event-B does not have a formal semantics. We address each of these limitations in this thesis using the theory of institutions. The theory of institutions provides a category-theoretic way of representing a formalism. Formalisms that have been represented as institutions gain access to an array of generic specification-building operators that can be used to modularise specifications in a formalismindependent manner. In the theory of institutions, there are constructs (known as institution (co)morphisms) that provide us with the facility to create interoperability between formalisms in a mathematically sound way. The main contribution of this thesis is the definition of an institution for Event-B, EVT, which allows us to address its identified limitations. To this end, we formally define a translational semantics from Event- B to EVT. We show how specification-building operators can provide a unified set of modularisation constructs for Event-B. In fact, the institutional framework that we have incorporated Event-B into is more accommodating to modularisation than the current state-of-the-art for Rodin. Furthermore, we present institution morphisms that facilitate interoperability between the respective institutions for Event-B and UML. This approach is more generic than the current approach to interoperability for Event-B and in fact, allows access to any formalism or logic that has already been defined as an institution. Finally, by defining EVT, we have outlined the steps required in order to include similar formalisms into the institutional framework. Hence, this thesis acts as a template for defining an institution for a specification language

A survey of practical software adaptation techniques

Abstract: Software adaptation techniques appear in many disparate areas of research literature, and under many guises. This paper enables a clear and uniform understanding of the related research, in three ways. Firstly, it surveys a broad range of relevant research, describing and contrasting the approaches of each using a uniform terminological and conceptual vocabulary. Secondly, it identifies and discusses three commonly advocated principles within this work: component models, first-class connection and loose coupling. Thirdly, it identifies and compares the various modularisation strategies employed by the surveyed work

Specification of the delivery alignment format

euzenat2005hThis deliverable focusses on the definition of a delivery alignment format for tools producing alignments (mapping tools). It considers the many formats that are currently available for expressing alignments and evaluate them with regard to criteria that such formats would satisfy. It then proposes some improvements in order to produce a format satisfying more needs

Modular Manufacture and Construction of Small Nuclear Power Generation Systems

Nuclear power is a stable, secure, low-carbon energy source; however, recent nuclear power plant projects are challenged by long build times and high construction costs, making them difficult to finance. Small Modular Reactors (SMRs) are nuclear reactors smaller than 300 MWe and claim to leverage manufacturing principles and modular build to resolve these issues and help improve the competitiveness of nuclear power. This project investigates modular build in a nuclear context, explores modularisation principles and best practises in other industries, identifies key constraints and optimisation criteria, and develops a new conceptual framework for modularising nuclear plants based on their size and subject to transport constraints. Transportation limits the type and amount of construction work that can be moved off-site. Due to their smaller size, up to 80% of a SMR plant can be modularised and transported by road, compared to only 20% for large reactors. Schedule and cost benefits are maximised when at least 60% of in-situ work is moved off-site, favouring fully modular units smaller than 600 MWe. Stick-built SMRs are not competitive with large reactors on the basis of their construction cost. A fully modularised SMR, however, can move 50% of its overnight construction cost off-site, achieving costs of \$5,470/kWe (300 MWe SMR), competitive with the reference \$6,000/kWe cost for a stick-built large reactor. Build schedule indirectly impacts construction cost by affecting overheads and interest during construction. Modular SMRs have the greatest scope for schedule reduction, moving 30% of in-situ time off-site and reducing build time to 3.5 years (300 MWe SMR), compared to 6.5 years for stick-built large reactors. Production learning is also critical to SMR economics and, when coupled with shorter build schedules, significantly impacts SMR total capital investment costs. A standardised series of modular SMRs can reach total capital costs of \$4,600/kWe (300 MWe SMR) and can compete with the \$4,400/kWe benchmark for energy technologies. SMRs have a unique opportunity to utilise modularisation and this project shows how they can leverage modular build to improve the economic competitiveness of nuclear power.Funded by EPSRC and Arup Lt