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)

Truth tables to binary decision diagrams

Model transformation tools have reached a considerable level of maturity in the core features, and are currently developing in many directions. Some tools are focusing on providing higher performance for large models or complex transformations. Others focus on bidirectionality, visualisation, traceability, or verifiability, among other research directions. Whereas past cases in TTC have focused on specific research directions, this case study presents a well-known simple transformation and welcomes researchers to apply their research to it. The aim of this case is to serve as a showcase of the various directions that model transformation research is going towards at the moment

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

The TTC 2019 Live case:BibTex to docbook

The initial transformation of a model into another model is only the first step. After the creation of the target model, it may be manually changed and the consistency with the source model may be lost or obscured. Ideally, transformation tools should have a way to check the degree of consistency between the source model and the current version of the destination model. This case presents such a scenario for a small transformation, with an automated mutation tool which will introduce changes that may or may not impact consistency. The aim of this case is to evaluate the speed and verbosity of the inter-model consistency checking in the state of the art

Scenarios for the development of smart grids in the UK: literature review

Smart grids are expected to play a central role in any transition to a low-carbon energy future, and much research is currently underway on practically every area of smart grids. However, it is evident that even basic aspects such as theoretical and operational definitions, are yet to be agreed upon and be clearly defined. Some aspects (efficient management of supply, including intermittent supply, two-way communication between the producer and user of electricity, use of IT technology to respond to and manage demand, and ensuring safe and secure electricity distribution) are more commonly accepted than others (such as smart meters) in defining what comprises a smart grid. It is clear that smart grid developments enjoy political and financial support both at UK and EU levels, and from the majority of related industries. The reasons for this vary and include the hope that smart grids will facilitate the achievement of carbon reduction targets, create new employment opportunities, and reduce costs relevant to energy generation (fewer power stations) and distribution (fewer losses and better stability). However, smart grid development depends on additional factors, beyond the energy industry. These relate to issues of public acceptability of relevant technologies and associated risks (e.g. data safety, privacy, cyber security), pricing, competition, and regulation; implying the involvement of a wide range of players such as the industry, regulators and consumers. The above constitute a complex set of variables and actors, and interactions between them. In order to best explore ways of possible deployment of smart grids, the use of scenarios is most adequate, as they can incorporate several parameters and variables into a coherent storyline. Scenarios have been previously used in the context of smart grids, but have traditionally focused on factors such as economic growth or policy evolution. Important additional socio-technical aspects of smart grids emerge from the literature review in this report and therefore need to be incorporated in our scenarios. These can be grouped into four (interlinked) main categories: supply side aspects, demand side aspects, policy and regulation, and technical aspects.

Partitioning Techniques to Improve Resilience and Cyber Security in Electric Grid Infrastructure

With the increasing penetration of renewable energy integration and potential threats from natural disasters, modern electric power system have been significantly exposed to both small- and large-scale disturbances. Traditional performance metrics including indices of reliability, stability, and security are no longer adequate to describe a power network. Infrastructure properties like resilience (sometimes also called resiliency) frequently appear in current related literature. Generally, resilience means that a power system demonstrates certain abilities in three different stages depending on the scale of a disturbance. In the first stage, the electric network should have the ability to absorb the impact of an event for example with the protective relaying system providing a quick and precise reaction. The event could be random faults on transmission or distribution lines, loss of generation or load, bus failures, or even extreme weather conditions and severe natural disasters like earthquake and tsunami. During the second stage, instead of extending the failed area and becoming a cascading outage, the electric network should have the ability to survive and move the entire system into another steady-state operating point. In the end, the electric network should have the ability to recover the lost areas and return to the original operation mode. Timely evaluation of power system resilience using proper clustering techniques is critical when considering both potential system failures and nature disasters. Intentional islanding operation is a solution to mitigate those threats because a proper islanding scheme has the potential to stop the propagation of cascading outages. On the other hand, the affected areas for a natural disaster can differ substantially from those areas that can be affected by a relay-corrected fault. The islanding operation mode will isolate the affected areas from others in which the power balance and dynamic stability properties are adequate. Therefore, adequate partitioning of a large power grid is paramount with the goal of positioning different areas of the grid at good starting points for survival and reconnection. Moreover, with the rapid development of computational technologies in society, the modern electric power system has already become a cyber-physical infrastructure that serves as backbone for the public infrastructure. Cyber security has also become a significant concern due to the increasing trend of cyber attacks. Thus, improving system resilience from the cyber perspective is another critical thrust for this research. We propose security metrics for the assessment and monitoring of the security status and risk exposure of a cyber-physical power grid. Motivated by the above challenge, we propose a new clustering algorithm based on the sensitivity between reactive power injection with phase voltage changes. We also illustrate a new index that evaluates the goodness of these clustering results. Combining these with previously formulated indices, we apply this algorithm to a variety of use case to show clustering results with higher fidelity. Finally, we propose a set of cyber-attack graph based metrics that are helpful in order to detect protection vulnerabilities for the cyber-physical system

Scenarios for the development of smart grids in the UK : literature review

No abstractUK Energy Research Centr

Scenarios for the Development of Smart Grids in the UK: Literature Review

This Working Paper reviews the existing literature on the socio-technical aspects of smart grid development. This work was undertaken as part of the Scenarios for the Development of Smart Grids in the UK project

Service Quality Assessment for Cloud-based Distributed Data Services

The issue of less-than-100% reliability and trust-worthiness of third-party controlled cloud components (e.g., IaaS and SaaS components from different vendors) may lead to laxity in the QoS guarantees offered by a service-support system S to various applications. An example of S is a replicated data service to handle customer queries with fault-tolerance and performance goals. QoS laxity (i.e., SLA violations) may be inadvertent: say, due to the inability of system designers to model the impact of sub-system behaviors onto a deliverable QoS. Sometimes, QoS laxity may even be intentional: say, to reap revenue-oriented benefits by cheating on resource allocations and/or excessive statistical-sharing of system resources (e.g., VM cycles, number of servers). Our goal is to assess how well the internal mechanisms of S are geared to offer a required level of service to the applications. We use computational models of S to determine the optimal feasible resource schedules and verify how close is the actual system behavior to a model-computed \u27gold-standard\u27. Our QoS assessment methods allow comparing different service vendors (possibly with different business policies) in terms of canonical properties: such as elasticity, linearity, isolation, and fairness (analogical to a comparative rating of restaurants). Case studies of cloud-based distributed applications are described to illustrate our QoS assessment methods. Specific systems studied in the thesis are: i) replicated data services where the servers may be hosted on multiple data-centers for fault-tolerance and performance reasons; and ii) content delivery networks to geographically distributed clients where the content data caches may reside on different data-centers. The methods studied in the thesis are useful in various contexts of QoS management and self-configurations in large-scale cloud-based distributed systems that are inherently complex due to size, diversity, and environment dynamicity

Advanced Signal Processing Techniques Applied to Power Systems Control and Analysis

The work published in this book is related to the application of advanced signal processing in smart grids, including power quality, data management, stability and economic management in presence of renewable energy sources, energy storage systems, and electric vehicles. The distinct architecture of smart grids has prompted investigations into the use of advanced algorithms combined with signal processing methods to provide optimal results. The presented applications are focused on data management with cloud computing, power quality assessment, photovoltaic power plant control, and electrical vehicle charge stations, all supported by modern AI-based optimization methods