Systematic literature review of domain-oriented specification techniques

Context: The popularity of domain-specific languages and model driven development has made the tacit use of domain knowledge in system development more tangible. Our vision is a development process where a (software) system specification is based on multiple domain models, and where the specification method is built from cognitive concepts, presumably derived from natural language. Goal: To realize this vision, we evaluate and reflect upon the existing literature in domain-oriented specification techniques. Method: We designed and conducted a systematic literature review on domain-oriented specification techniques. Results: We identified 53 primary studies, populated the classification framework for each study, and summarized our findings per classification aspect. We found many approaches for creating domain models or domain-specific languages. Observations include: (i) most methods are defined incompletely; (ii) none offers methodical support for the use of domain models or domain-specific languages to create other specifications; (iii) there are specification techniques to integrate models in general, but no study offers methodical support for multiple domain models. Conclusion: The results indicate which topics need further research and which can instead be reused to realize our vision on system development. Editor\u27s note: Open Science material was validated by the Journal of Systems and Software Open Science Board

Style-driven Shape Analysis and Synthesis

In this dissertation I will investigate algorithms that analyze stylistic properties of 3D shapes and automatically synthesize shapes given style specifications. I will start by introducing a structure-transcending method for style similarity evaluation between 3D shapes. Inspired by observations about style similarity in art history literature, we propose an algorithmically computed style similarity measure which identifies style related elements on the analyzed models and collates element-level geometric similarity measurements into an object-level style measure consistent with human perception. To achieve this consistency we employ crowdsourcing to learn the relative perceptual importance of a range of elementary shape distances and other parameters used in our measurement from participant answers to cross-structure style similarity queries. I will then describe an algorithm that utilizes this learned style similarity measure to synthesize 3D models of man-made shapes. The algorithm combines user-specified style, described via an exemplar shape, and functionality, encoded by a functionally different target shape. We transfer the exemplar style to the target via a sequence of compatible element-level operations where the compatibility is a learned metric that estimates the impact of each operation on the edited shape. We use this metric to cast style transfer as a tabu search, which incrementally updates the target shape using compatible operations, progressively increasing its style similarity to the exemplar while strictly maintaining its functionality at each step. Finally I will propose a method for reconstructing 3D shapes following style aspects of given 2D drawings. Our method takes line drawings as input and converts them into surface depth and normal maps from several output viewpoints via a deep convolutional neural network with multi-view encoder-decoder architecture. The multi-view maps are then consolidated into a dense coherent 3D point cloud by solving an optimization problem that fuses depth and normal information across all output viewpoints. The output point cloud is then converted into a polygon mesh representation, which is further fine-tuned to match the input sketch more precisely

Specification Languages for Preserving Consistency between Models of Different Languages

In dieser Dissertation stellen wir drei Sprachen für die Entwicklung von Werkzeugen vor, welche Systemrepräsentationen während der Softwareentwicklung konsistent halten. Bei der Entwicklung komplexer informationstechnischer Systeme ist es üblich, mehrere Programmiersprachen und Modellierungssprachen zu nutzen. Dabei werden Teile des Systems mit unterschiedlichen Sprachen konstruiert und dargestellt, um verschiedene Entwurfs- und Entwicklungstätigkeiten zu unterstützen. Die übergreifende Struktur eines Systems wird beispielsweise oft mit Hilfe einer Architekturbeschreibungssprache dargestellt. Für die Spezifikation des detaillierten Verhaltens einzelner Systemteile ist hingegen eine zustandsbasierte Modellierungssprache oder eine Allzweckprogrammiersprache geeigneter. Da die Systemteile und Entwicklungstätigkeiten in Beziehung zueinander stehen, enthalten diese Repräsentationen oftmals auch redundante Informationen. Solche partiell redundanten Repräsentationen werden meist nicht statisch genutzt, sondern evolvieren während der Systementwicklung, was zu Inkonsistenzen und damit zu fehlerhaften Entwürfen und Implementierungen führen kann. Daher sind konsistente Systemrepräsentationen entscheidend für die Entwicklung solcher Systeme. Es gibt verschiedene Ansätze, die konsistente Systemrepräsentationen dadurch erreichen, dass Inkonsistenzen vermieden werden. So ist es beispielsweise möglich, eine zentrale, redundanzfreie Repräsentation zu erstellen, welche alle Informationen enthält, um alle anderen Repräsentationen daraus projizieren zu können. Es ist jedoch nicht immer praktikabel solch eine redundanzfreie Repräsentation und editierbare Projektionen zu erstellen, insbesondere wenn existierende Sprachen und Editoren unterstützt werden müssen. Eine weitere Möglichkeit zur Umgehung von Inkonsistenzen besteht darin Änderungen einzelner Informationen nur an einer eindeutigen Quellrepräsentation zuzulassen, sodass alle anderen Repräsentationen diese Information nur lesen können. Dadurch können solche Informationen in allen lesend zugreifenden Repräsentationen immer überschrieben werden, jedoch müssen dazu alle editierbaren Repräsentationsbereiche komplett voneinander getrennt werden. Falls inkonsistente Repräsentationen während der Systementwicklung nicht völlig vermieden werden können, müssen Entwickler oder Werkzeuge aktiv die Konsistenz erhalten, wenn Repräsentationen modifiziert werden. Die manuelle Konsistenthaltung ist jedoch eine zeitaufwändige und fehleranfällige Tätigkeit. Daher werden in Forschungseinrichtungen und in der Industrie Konsistenthaltungswerkzeuge entwickelt, die teilautomatisiert Modelle während der Systementwicklung aktualisieren. Solche speziellen Software-Entwicklungswerkzeuge können mit Allzweckprogrammiersprachen und mit dedizierten Konsistenthaltungssprachen entwickelt werden. In dieser Dissertation haben wir vier bedeutende Herausforderungen identifiziert, die momentan nur unzureichend von Sprachen zur Entwicklung von Konsistenthaltungswerkzeugen adressiert werden. Erstens kombinieren diese Sprachen spezifische Unterstützung zur Konsistenthaltung nicht mit der Ausdrucksmächtigkeit und Flexibilität etablierter Allzweckprogrammiersprachen. Daher sind Entwickler entweder auf ausgewiesene Anwendungsfälle beschränkt, oder sie müssen wiederholt Lösungen für generische Konsistenthaltungsprobleme entwickeln. Zweitens unterstützen diese Sprachen entweder lösungs- oder problemorientierte Programmierparadigmen, sodass Entwickler gezwungen sind, Erhaltungsinstruktionen auch in Fällen anzugeben, in denen Konsistenzdeklarationen ausreichend wären. Drittens abstrahieren diese Sprachen nicht von genügend Konsistenthaltungsdetails, wodurch Entwickler explizit beispielsweise Erhaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Übereinstimmungsprobleme berücksichtigen müssen. Viertens führen diese Sprachen zu Erhaltungsverhalten, das oft vom konkreten Anwendungsfall losgelöst zu sein scheint, wenn Interpreter und Übersetzer Code ausführen oder erzeugen, der zur Realisierung einer spezifischen Konsistenzspezifikation nicht benötigt wird. Um diese Probleme aktueller Ansätze zu adressieren, leistet diese Dissertation die folgenden Beiträge: Erstens stellen wir eine Sammlung und Klassifizierung von Herausforderungen der Konsistenthaltung vor. Dabei diskutieren wir beispielsweise, welche Herausforderungen nicht bereits adressiert werden sollten, wenn Konsistenz spezifiziert wird, sondern erst wenn sie durchgesetzt wird. Zweitens führen wir einen Ansatz zur Erhaltung von Konsistenz gemäß abstrakter Spezifikationen ein und formalisieren ihn mengentheoretisch. Diese Formalisierung ist unabhängig davon wie Konsistenzdurchsetzungen letztendlich realisiert werden. Mit dem vorgestellten Ansatz wird Konsistenz immer anhand von beobachteten Editieroperationen bewahrt, um bekannte Probleme zur Berechnung von Übereinstimmungen und Differenzen zu vermeiden. Schließlich stellen wir drei neue Sprachen zur Entwicklung von Werkzeugen vor, die den vorgestellten, spezifikationsgeleiteten Ansatz verfolgen und welche wir im Folgenden kurz erläutern. Wir präsentieren eine imperative Sprache, die verwendet werden kann, um präzise zu spezifizieren, wie Modelle in Reaktion auf spezifische Änderungen aktualisiert werden müssen, um Konsistenz in eine Richtung zu erhalten. Diese Reaktionssprache stellt Lösungen für häufige Probleme bereit, wie beispielsweise die Identifizierung und das Abrufen geänderter oder korrespondierender Modellelemente. Außerdem erreicht sie eine uneingeschränkte Ausdrucksmächtigkeit, indem sie Entwicklern ermöglicht, auf eine Allzweckprogrammiersprache zurückzugreifen. Eine zweite, bidirektionale Sprache für abstrakte Abbildungen kann für Fälle verwendet werden, in denen verschiedene Änderungsoperationen nicht unterschieden werden müssen und außerdem die Erhaltungsrichtung nicht immer eine Rolle spielt. Mit dieser Abbildungssprache können Entwickler Bedingungen deklarieren, die ausdrücken, wann Modellelemente als konsistent zueinander angesehen werden sollen, ohne sich um Details der Überprüfung oder Durchsetzung von Konsistenz bemühen zu müssen. Dazu leitet der Übersetzer automatisch Durchsetzungscode aus Überprüfungen ab und bidirektionalisiert Bedingungen, die für eine Richtung der Konsistenthaltung spezifiziert wurden. Diese Bidirektionalisierung basiert auf einer erweiterbaren Menge von komponierbaren, operatorspezifischen Invertierern, die verbreitete Round-trip-Anforderungen erfüllen. Infolgedessen können Entwickler häufig vorkommende Konsistenzanforderungen konzise ausdrücken und müssen keinen Quelltext für verschiedene Konsistenthaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Eigenschaften von Modellelementen wiederholen. Eine dritte, normative Sprache kann verwendet werden, um die vorherigen Sprachen mit parametrisierbaren Konsistenzinvarianten zu ergänzen. Diese Invariantensprache übernimmt Operatoren und Iteratoren für Elementsammlungen von der Object Constraint Language (OCL). Außerdem nimmt sie Entwicklern das Schreiben von Quelltext zur Suche nach invariantenverletzenden Elementen ab, da Abfragen, welche diese Aufgaben übernehmen, automatisch anhand von Invariantenparametern abgeleitet werden. Die drei Sprachen können in Kombination und einzeln verwendet werden. Sie ermöglichen es Entwicklern, Konsistenz unter Verwendung verschiedener Programmierparadigmen und Sprachabstraktionen zu spezifizieren. Wir stellen auch prototypische Übersetzer und Editoren für die drei Konsistenzspezifikationssprachen vor, welche auf dem Vitruvius-Rahmenwerk für Multi-Sichten-Modellierung basieren. Mit diesem Rahmenwerk werden Änderungen in textuellen und graphischen Editoren automatisch beobachtet, um Reaktionen auszulösen, Abbildungen durchzusetzen und Invarianten zu überprüfen. Dies geschieht indem der von unseren Übersetzern erzeugte Java-Code ausgeführt wird. Außerdem haben wir für alle Sprachen, die in dieser Dissertation vorgestellt werden, folgende theoretischen und praktischen Eigenschaften evaluiert: Vollständigkeit, Korrektheit, Anwendbarkeit, und Nutzen. So zeigen wir, dass die Sprachen ihre vorgesehenen Einsatzbereiche vollständig abdecken und analysieren ihre Berechnungsvollständigkeit. Außerdem diskutieren wir die Korrektheit jeder einzelnen Sprache sowie die Korrektheit einzelner Sprachmerkmale. Die operatorspezifischen Invertierer, die wir zur Bidirektionalisierung von Abbildungsbedingungen entwickelt haben, erfüllen beispielsweise immer das neu eingeführte Konzept bestmöglich erzogener Round-trips. Dieses basiert auf dem bewährten Konzept wohlerzogener Transformationen und garantiert, dass übliche Round-trip-Gesetze erfüllt werden, wann immer dies möglich ist. Wir veranschaulichen die praktische Anwendbarkeit mit Fallstudien, in denen Konsistenz erfolgreich mit Hilfe von Werkzeugen erhalten wurde, die in den von uns vorgestellten Sprachen geschrieben wurden. Zum Schluss diskutieren wir den potenziellen Nutzen unserer Sprachen und vergleichen beispielsweise Konsistenthaltungswerkzeuge die in zwei Fallstudien realisiert wurden. Die Werkzeuge, die mit der Reaktionssprache entwickelt wurden, benötigen zwischen 33% und 71% weniger Zeilen Quelltext als funktional gleichwertige Werkzeuge, die mit in Java oder dem Java-Dialekt Xtend entwickelt wurden

On relating functional modeling approaches: abstracting functional models from behavioral models

This paper presents a survey of functional modeling approaches and describes a strategy to establish functional knowledge exchange between them. This survey is focused on a comparison of function meanings and representations. It is argued that functions represented as input-output flow transformations correspond to behaviors in the approaches that characterize functions as intended behaviors. Based on this result a strategy is presented to relate the different meanings of function between the approaches, establishing functional knowledge exchange between them. It is shown that this strategy is able to preserve more functional information than the functional knowledge exchange methodology of Kitamura, Mizoguchi, and co-workers. The strategy proposed here consists of two steps. In step one, operation-on-flow functions are translated into behaviors. In step two, intended behavior functions are derived from behaviors. The two-step strategy and its benefits are demonstrated by relating functional models of a power screwdriver between methodologies

Contextual Components of an Enterprise Architecture Framework for Pan-European eGovernment Services

Enterprise Architecture (EA) frameworks provide a wide range of architecture components. Contextual EA components provide the necessary guidance to design specific architectures in a given context e.g. for Pan-European Government Services (PEGS). Contextual EA components help to describe the background and scope of architecture work and provide a ground to tackle architecture challenges in an agreed way. The main contribution of this conceptual paper is to connect existing theoretical models as a basis to examine contextual components of an EA framework for PEGS. Three aspects are elaborated using a model-based approach: a Critical Success Factor Model, a Strategy Management Model and a Stakeholder Engagement Model. The identified models are aligned with EA standards and provide guidance to empirical research and to programs, projects and initiatives that wish to create interoperability architectures

A Development Method for the Conceptual Design of Multi-View Modeling Tools with an Emphasis on Consistency Requirements

The main objective of this thesis is to bridge the gap between modeling method experts on the one side and tool developers on the other. More precisely, the focus is on the specification of requirements for multi-view modeling tools. In this regard, the thesis introduces a methodological approach that supports the specification of conceptual designs for multi-view modeling tools in a stepwise manner: the MuVieMoT approach. MuVieMoT utilizes generic multi-view modeling concepts and the model-driven engineering paradigm to establish an overarching specification of multi-view modeling tools with an emphasis on consistency requirements. The approach builds on and extends the theoretical foundation of metamodeling and multi-view modeling: generic multi-view modeling concepts, integrated multi-view modeling approaches, and possibilities for formalized modeling method specifications. Applicability and utility of MuVieMoT are evaluated using an illustrative scenario, therefore specifying a conceptual design for a multi-view modeling tool for the Semantic Object Model enterprise modeling method. The thesis moreover introduces the MuVieMoT modeling environment, enabling the efficient application of the approach as well as the model-driven development of initial multi-view modeling tools based on the conceptual models created with MuVieMoT. Consequently, the approach fosters an intersubjective and unambiguous understanding of the tool requirements between method experts and tool developers

Dynamic Compensation Framework to Improve the Autonomy of Industrial Robots

It is challenging to realize the autonomy of industrial robots under external and internal uncertainties. A majority of industrial robots are supposed to be programmed by teaching-playback method, which is not able to handle with uncertain working conditions. Although many studies have been conducted to improve the autonomy of industrial robots by utilizing external sensors with model-based approaches as well as adaptive approaches, it is still difficult to obtain good performance. In this chapter, we present a dynamic compensation framework based on a coarse-to-fine strategy to improve the autonomy of industrial robots while at the same time keeping good accuracy under many uncertainties. The proposed framework for industrial robot is designed along with a general intelligence architecture that is aiming to address the big issues such as smart manufacturing, industrial 4.0

Novel haptic interface For viewing 3D images

In recent years there has been an explosion of devices and systems capable of displaying stereoscopic 3D images. While these systems provide an improved experience over traditional bidimensional displays they often fall short on user immersion. Usually these systems only improve depth perception by relying on the stereopsis phenomenon. We propose a system that improves the user experience and immersion by having a position dependent rendering of the scene and the ability to touch the scene. This system uses depth maps to represent the geometry of the scene. Depth maps can be easily obtained on the rendering process or can be derived from the binocular-stereo images by calculating their horizontal disparity. This geometry is then used as an input to be rendered in a 3D display, do the haptic rendering calculations and have a position depending render of the scene. The author presents two main contributions. First, since the haptic devices have a finite work space and limited resolution, we used what we call detail mapping algorithms. These algorithms compress geometry information contained in a depth map, by reducing the contrast among pixels, in such a way that it can be rendered into a limited resolution display medium without losing any detail. Second, the unique combination of a depth camera as a motion capturing system, a 3D display and haptic device to enhance user experience. While developing this system we put special attention on the cost and availability of the hardware. We decided to use only off-the-shelf, mass consumer oriented hardware so our experiments can be easily implemented and replicated. As an additional benefit the total cost of the hardware did not exceed the one thousand dollars mark making it affordable for many individuals and institutions

Understanding the Elements of Executable Architectures Through a Multi-Dimensional Analysis Framework

The objective of this dissertation study is to conduct a holistic investigation into the elements of executable architectures. Current research in the field of Executable Architectures has provided valuable solution-specific demonstrations and has also shown the value derived from such an endeavor. However, a common theory underlying their applications has been missing. This dissertation develops and explores a method for holistically developing an Executable Architecture Specification (EAS), i.e., a meta-model containing both semantic and syntactic information, using a conceptual framework for guiding data coding, analysis, and validation. Utilization of this method resulted in the description of the elements of executable architecture in terms of a set of nine information interrogatives: an executable architecture information ontology. Once the detail-rich EAS was constructed with this ontology, it became possible to define the potential elements of executable architecture through an intermediate level meta-model. The intermediate level meta-model was further refined into an interrogative level meta-model using only the nine information interrogatives, at a very high level of abstraction