Model-Based Engineering of Collaborative Embedded Systems

This Open Access book presents the results of the "Collaborative Embedded Systems" (CrESt) project, aimed at adapting and complementing the methodology underlying modeling techniques developed to cope with the challenges of the dynamic structures of collaborative embedded systems (CESs) based on the SPES development methodology. In order to manage the high complexity of the individual systems and the dynamically formed interaction structures at runtime, advanced and powerful development methods are required that extend the current state of the art in the development of embedded systems and cyber-physical systems. The methodological contributions of the project support the effective and efficient development of CESs in dynamic and uncertain contexts, with special emphasis on the reliability and variability of individual systems and the creation of networks of such systems at runtime. The project was funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), and the case studies are therefore selected from areas that are highly relevant for Germany’s economy (automotive, industrial production, power generation, and robotics). It also supports the digitalization of complex and transformable industrial plants in the context of the German government's "Industry 4.0" initiative, and the project results provide a solid foundation for implementing the German government's high-tech strategy "Innovations for Germany" in the coming years

Maßgeschneiderte Produktlinienextraktion

Industry faces an increasing number of challenges regarding the functionality, efficiency and reliability of software. A common approach to reduce the linked development effort and respective costs are model-based languages, such as Matlab/Simulink and statecharts. While these languages help companies during development of single systems, the high demand for customized software is an increasing challenge. As a result, variants with high similarity and only slight differences have to be developed in an efficient way. As reimplementation of complex functionality for each variant is no option, copies of existing solutions are often modified for new customers. In the short-run, this so-called clone-and-own approach allows to save costs as existing solutions can easily be reused. However, this approach also involves risks as the relations between the copied systems are rarely documented and errors have to be fixed for each variant in isolation. Thus, with a growing number of potentially large system copies, the resulting maintenance effort can become a problem. To overcome these problems, this thesis contributes an approach to semi-automatically migrate existing model variants to software product lines. These product lines allow to generate all variants from the identified reusable artifacts. As industry uses a variety of different modeling languages, the focus of the approach lies on an easy adaptation for different languages. Furthermore, the approach can be custom-tailored to include domain knowledge or language-specific details in the variability identification. The first step of the approach performs a high-level analysis of variants to identify outliers (e.g., variants that diverged too much from the rest) and clusters of strongly related variants. The second step executes variability mining to identify corresponding low-level variability relations (i.e. the common and varying parts) for these clusters. The third step uses these detailed variability relations for an automatic migration of the compared variants to a delta-oriented software product line. The approach is evaluated using publicly available case studies with industrial background as well as model variants provided by an industry partner.Die Industrie steht einer steigenden Anzahl an Herausforderungen bezüglich der Funktionalität, Effizienz und Zuverlässigkeit von Software gegenüber. Um den damit verbundenen Entwicklungsaufwand und entsprechende Kosten zu reduzieren, werden häufig modellbasierte Sprachen wie Matlab/Simulink oder Zustandsautomaten eingesetzt. Obwohl diese Sprachen die Unternehmen während der Entwicklung von Einzelsystemen unterstützen, führt die große Nachfrage nach maßgeschneiderter Software zu neuen Herausforderungen. Entsprechend müssen Varianten mit hoher Ähnlichkeit und nur geringfügigen Unterschieden effizient entwickelt werden. Da eine Neuimplementierung komplexer Funktionalität für jede Variante keine Option darstellt, werden häufig Kopien existierender Lösungen für Kunden angepasst. Auf kurze Sicht ermöglicht dieser sogenannte clone-and-own-Ansatz Kosten zu sparen, da existierende Lösungen leicht wiederverwendet werden können. Jedoch birgt der Ansatz auch Risiken, da Beziehungen zwischen den Systemkopien selten dokumentiert werden und Fehler für jede der Variante einzeln behoben werden müssen. Somit kann mit einer wachsenden Anzahl an möglicherweise umfangreichen Systemkopien der Wartungsaufwand zu einem Problem werden. Um diese Probleme zu lösen, bietet diese Arbeit einen Ansatz zur semi-automatischen Überführung existierender Modellvarianten in Softwareproduktlinien. Diese ermöglichen eine anschließende Generierung der Varianten aus den identifizierten wiederverwendbaren Artefakten. Da in der Industrie eine große Menge von Modellierungssprachen eingesetzt wird, liegt der Fokus auf der einfachen Adaption für unterschiedliche Sprachen. Zusätzlich kann durch Einbeziehung von Expertenwissen oder sprachspezifische Details die Variabilitätsidentifikation beeinflusst werden. Der erste Schritt des Ansatzes analysiert die Varianten auf hohem Abstraktionslevel, um Außenseiter (z.B. Varianten die stark von den restlichen Variaten abweichen) und Cluster von stark verwandten Varianten zu identifizieren. Der zweite Schritt analysiert diese Cluster auf niedrigem Abstraktionslevel, um entsprechende Variabilitätsrelationen (d.h. gemeinsame und unterschiedliche Teile) zu identifizieren. Der dritte Schritt nutzt diese detaillierten Variabilitätsrelationen für eine automatische Migration der verglichenen Varianten in eine delta-orientierte Softwareproduktlinie. Der Ansatz ist an Fallstudien mit industriellem Kontext sowie Modellvarianten eines Industriepartners evaluiert worden