Maintainability and evolvability of control software in machine and plant manufacturing -- An industrial survey

Automated Production Systems (aPS) have lifetimes of up to 30-50 years, throughout which the desired products change ever more frequently. This requires flexible, reusable control software that can be easily maintained and evolved. To evaluate selected criteria that are especially relevant for maturity in software maintainability and evolvability of aPS, the approach SWMAT4aPS+ builds on a questionnaire with 52 questions. The three main research questions cover updates of software modules and success factors for both cross-disciplinary development as well as reusable models. This paper presents the evaluation results of 68 companies from machine and plant manufacturing (MPM). Companies providing automation devices and/or engineering tools will be able to identify challenges their customers in MPM face. Validity is ensured through feedback of the participating companies and an analysis of the statistical unambiguousness of the results. From a software or systems engineering point of view, almost all criteria are fulfilled below expectations

Architectural Design Decision Documentation through Reuse of Design Patterns

The ADMD3 approach presented in this book enchances the architectural design documentation of decision via reuse of design patterns. It combines the support for evaluation of pattern application, semi-automated documentation of decision rationale and trace links. The approach is based on a new kind of design pattern catalogue, whereby usual pattern descriptions are captured together with question annotations to the patterns and information on architectural structure of patterns

Architectural Design Decision Documentation through Reuse of Design Patterns

While design decisions on the application of architectural design patterns involve complex trade-offs between functionality and quality properties, such decisions are often spontaneous, and documentation of decisions and trace links to related artefacts is usually insufficient. The approach proposed in this thesis provides a support to overcome these problems. It combines support for evaluation of design pattern application, and semi-automated documentation of decisions and trace links

Automated Coevolution of Source Code and Software Architecture Models

This work introduces a novel approach to keep high-level component-based architecture models consistent with source code during software development and software evolution. The approach helps to avoid architecture drift and architecture erosion, which are two well-known problems that can arise during development and maintenance of a software system. In particular, the presented approach can be used to keep instances of the Palladio Component Model (PCM) consistent with Java source code

Automated Coevolution of Source Code and Software Architecture Models

Zur Entwicklung komplexer Softwaresysteme, werden neben dem Quelltext zusätzliche Artefakte, wie beispielsweise Architekturmodelle, verwendet. Wenn die verwendeten Architekturmodelle während der Entwicklung und Evolution eines Softwaresystems konsistent mit dem Quelltext sind, können Softwarearchitekten und Softwareentwickler bei der Entwicklung der Systeme besser unterstützt werden. Architekturmodelle, die auf dem aktuellem Stand sind, vereinfachen Entwicklungs- und Evolutionssaufgaben, da einfacher beantwortet werden kann wie und wo neue Funktionen implementiert werden sollen. Außerdem ist es möglich, modellbasierte Analysen mit Hilfe der Softwarearchitekturmodelle vorzunehmen. Beispielsweise können mit dem Palladio Komponentenmodell (PCM) Performanzvorhersagen durchgeführt werden, wenn ein Architekturmodell des Softwaresystems vorhanden ist und dieses Verhaltensspezifikationen beinhaltet. Wenn Architekturmodelle bei der Softwareentwicklung und Softwareevolution verwendet werden, können die beiden bekannten Probleme Architekturdrift und Architekturverletzung auftreten. Diese Probleme treten für gewöhnlich auf, wenn bei voranschreitender Entwicklung des Quelltextes die Architektur nicht konsistent zu diesem gehalten wird. Dies führt zu veralteten und schlussendlich nutzlosen Architekturmodellen. Viele existierende Ansätze, zur Vermeidung dieser Probleme, zielen darauf ab, Quelltext und UML-Klassendiagramme konsistent zu halten, oder sie zielen darauf ab, Architekturinformationen in den Quelltext einzubetten. In letzterem Fall wird die Notwendigkeit, die Architektur konsistent mit dem Quelltext zu halten, umgangen, da die Architektur integraler Bestandteil des Quelltextes ist. In der vorliegenden Dissertation beschreiben wir einen neuen Ansatz, um komponentenbasierte Architekturmodelle, welche sich auf einer hohen Abstraktionsebene befinden, konsistent mit dem Quelltext zu halten. Wir beschreiben, wie Instanzen des PCMs konsistent mit Java-Quelltext gehalten werden können. Um Konsistenz zu erreichen, werden Architekturelemente erzeugt, gelöscht oder geändert, sobald ihre entsprechende Quelltextelemente geändert wurden, und umgekehrt. Für die Umsetzung der Konsistenzerhaltung stellen wir einen änderungsgetriebenen Ansatz vor. Dieser verwendet benutzerdefinierte, änderungsgetriebene Abbildungsregeln, um die Konsistenz zwischen den beteiligten Modellen sicherzustellen. In dieser Dissertation stellen wir vier konkrete Mengen von Abbildungsregeln zwischen Architekturmodellen und Quelltext vor. Diese haben wir in einer prototypischen Implementierung des Ansatzes umgesetzt. Wir stellen außerdem einen Mechanismus vor, der mit den Benutzern des Konsistenzerhaltungsansatzes interagiert, wenn die Konsistenz nicht automatisch erhalten werden kann, sondern die Benutzer zuerst ihre Intention, die sie mit einer bestimmten Änderung verfolgen, dem Ansatz mitteilen müssen. In diesem Fall müssen die Benutzer das genaue Vorgehen für die Konsistenzerhaltung spezifizieren. Da der vorgestellte Ansatz änderungsgetrieben funktioniert, ist es notwendig, dass wir alle Änderungen in den beteiligten Architektur- und Quelltexteditoren aufzeichnen können. Um es Benutzern zu erlauben, vorhandene Editoren, mit denen sie sich auskennen, wiederverwenden zu können, haben wir Beobachter für diese Editoren implementiert. Diese Beobachter zeichnen alle Änderungen an einem Modell auf und informieren unseren Ansatz über jede durchgeführte Änderung. Der in dieser Dissertation vorgestellte Ansatz erlaubt es auch, verhaltensbeschreibende Architekturmodelle konsistent mit dem Quelltext zu halten. Um dies zu erreichen, haben wir einen Ansatz implementiert, der es ermöglicht, Service Effect Specifications des PCMs inkrementell aus Methoden zu erstellen, nachdem diese geändert wurden. Die Service Effect Specifications werden innerhalb des PCMs genutzt, um das Verhalten einer Komponente zu spezifizieren. Um bereits bestehende Architekturmodelle und bestehenden Quelltext innerhalb unseres Ansatzes verwenden zu können, stellen wir je eine Integrationsstrategie für die Architektur und den Quelltext vor. Um bestehende Architekturmodelle zu integrieren, simulieren wir deren Erstellung. Während dieses Erstellvorgangs zeichnen wir die Änderungen auf, die nötig sind, um das Architekturmodell zu erstellen. Diese Änderungen werden als Eingabe für den Konsistenzerhaltungsprozess verwendet, um daraus den entsprechenden Quelltext zu erzeugen. Um vorhandenen Quelltext einzubinden, stellen wir einen Ansatz vor, der auf Architekturrekonstruktionsverfahren basiert, d.h., zuerst wird die Architektur eines bestehenden Softwaresystems rekonstruiert. Die erstellte Architektur wird anschließend zusammen mit dem bestehenden Quelltext in unseren Coevolutionsansatz integriert. Oftmals ist bestehender Quelltext jedoch nicht so aufgebaut, wie es die Abbildungsregeln vorschreiben. Innerhalb der Integrationsstrategie für Quelltext stellen wir deshalb einen Ansatz vor, der in der Lage ist, solche Quelltexte dennoch zu integrieren. Dieser Ansatz ermöglicht es, nicht nur diese Art von Quelltext zu integrieren, sondern diesen auch mit speziell definierten Abbildungsregeln automatisch konsistent zu halten. Wir haben unseren Ansatz in verschiedenen Fallstudien evaluiert. Dabei haben wir zunächst gezeigt, dass es möglich ist vorhandene Architekturmodelle zu integrieren, indem ihr Aufbau simuliert wird. In der durchgeführten Fallstudie ist es mit unserem Ansatz und den vorgestellten Abbildungsregeln möglich, zwischen 98% und 100% der unterstützten Elemente zu integrieren. Als nächstes haben wir gezeigt, dass unser Ansatz in der Lage ist, existierenden Quelltext zu integrieren und Änderungen am integrierten Quelltext konsistent mit der Architektur zu halten. Für diese Fallstudie haben wir zunächst den Quelltext von vier quelloffenen Projekten in den Ansatz integriert. Als nächstes haben wir gezeigt, dass es möglich ist, Änderungen am Quelltext konsistent mit der Architektur zu halten. Dazu haben wir eine alte Version des Quelltextes integriert und Änderungen die zwischen einer alten und neueren Version durchgeführt wurden, aus einem Versionskontrollsystem extrahiert und erneut auf den Quelltext angewendet. Im Rahmen dieser Evaluation haben wir auch gezeigt, dass es möglich ist Änderungen, die innerhalb von Methoden durchgeführt werden, mit einem Verhaltensmodell konsistent zu halten. Wir haben außerdem eine Evaluation der Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes durchgeführt und gezeigt, dass unser Ansatz in den meisten Fällen in der Lage ist, die Architektur in einer Zeit zwischen einer und fünf Sekunden konsistent zu halten, nachdem eine Änderung am Quelltext durchgeführt wurde. Als letztes haben wir gezeigt, dass es möglich ist, coevolvierte Modelle für die Performanzvorhersage zu verwenden. Dazu haben wir zuerst die Modelle in einem Parametrisierungsschritt mit den nötigen Ressourcenverbräuchen angereichert. Als nächstes konnten wir die Performanzvorhersage durchführen. In unserer Fallstudie zeigte sich, dass der Vorhersagefehler für die Antwortzeit eines Systems bei ca. 10% liegt, und damit die coevolvierten Modelle für die Abschätzung der Performanz eines realen Systems verwendet werden können

Generator-Composition for Aspect-Oriented Domain-Specific Languages

Software systems are complex, as they must cover a diverse set of requirements describing functionality and the environment. Software engineering addresses this complexity with Model-Driven Engineering ( MDE ). MDE utilizes different models and metamodels to specify views and aspects of a software system. Subsequently, these models must be transformed into code and other artifacts, which is performed by generators. Information systems and embedded systems are often used over decades. Over time, they must be modified and extended to fulfill new and changed requirements. These alterations can be triggered by the modeling domain and by technology changes in both the platform and programming languages. In MDE these alterations result in changes of syntax and semantics of metamodels, and subsequently of generator implementations. In MDE, generators can become complex software applications. Their complexity depends on the semantics of source and target metamodels, and the number of involved metamodels. Changes to metamodels and their semantics require generator modifications and can cause architecture and code degradation. This can result in errors in the generator, which have a negative effect on development costs and time. Furthermore, these errors can reduce quality and increase costs in projects utilizing the generator. Therefore, we propose the generator construction and evolution approach GECO, which supports decoupling of generator components and their modularization. GECO comprises three contributions: (a) a method for metamodel partitioning into views, aspects, and base models together with partitioning along semantic boundaries, (b) a generator composition approach utilizing megamodel patterns for generator fragments, which are generators depending on only one source and one target metamodel, (c) an approach to modularize fragments along metamodel semantics and fragment functionality. All three contributions together support modularization and evolvability of generators

Entwurfsoptimierung von selbst-adaptiven Wartungsmechanismen für software-intensive technische Systeme

Diese Arbeit stellt neuartige Konzepte zur effizienten Entscheidungsunterstützung in der Rekonfiguration software-intensiver technischer Systeme mit limitiertem Wartungszugriff vor. Entgegen rein redundanzorientierter Ansätze, basiert die verfolgte Methodik auf der prädiktiven Vorausberechnung adäquater Konfigurationsalternativen im relevanten Lösungsraum. Das Wissen über Konfigurationsbeziehung wird frühzeitig manifestiert und zur autarken kosteneffizienten Abwägung der Alternativen eingesetzt