Towards a Tool-based Development Methodology for Pervasive Computing Applications

Despite much progress, developing a pervasive computing application remains a challenge because of a lack of conceptual frameworks and supporting tools. This challenge involves coping with heterogeneous devices, overcoming the intricacies of distributed systems technologies, working out an architecture for the application, encoding it in a program, writing specific code to test the application, and finally deploying it. This paper presents a design language and a tool suite covering the development life-cycle of a pervasive computing application. The design language allows to define a taxonomy of area-specific building-blocks, abstracting over their heterogeneity. This language also includes a layer to define the architecture of an application, following an architectural pattern commonly used in the pervasive computing domain. Our underlying methodology assigns roles to the stakeholders, providing separation of concerns. Our tool suite includes a compiler that takes design artifacts written in our language as input and generates a programming framework that supports the subsequent development stages, namely implementation, testing, and deployment. Our methodology has been applied on a wide spectrum of areas. Based on these experiments, we assess our approach through three criteria: expressiveness, usability, and productivity

Developing a distributed electronic health-record store for India

The DIGHT project is addressing the problem of building a scalable and highly available information store for the Electronic Health Records (EHRs) of the over one billion citizens of India

A graph-based aspect interference detection approach for UML-based aspect-oriented models

Aspect Oriented Modeling (AOM) techniques facilitate separate modeling of concerns and allow for a more flexible composition of these than traditional modeling technique. While this improves the understandability of each submodel, in order to reason about the behavior of the composed system and to detect conflicts among submodels, automated tool support is required. Current techniques for conflict detection among aspects generally have at least one of the following weaknesses. They require to manually model the abstract semantics for each system; or they derive the system semantics from code assuming one specific aspect-oriented language. Defining an extra semantics model for verification bears the risk of inconsistencies between the actual and the verified design; verifying only at implementation level hinders fixng errors in earlier phases. We propose a technique for fully automatic detection of conflicts between aspects at the model level; more specifically, our approach works on UML models with an extension for modeling pointcuts and advice. As back-end we use a graph-based model checker, for which we have defined an operational semantics of UML diagrams, pointcuts and advice. In order to simulate the system, we automatically derive a graph model from the diagrams. The result is another graph, which represents all possible program executions, and which can be verified against a declarative specification of invariants.\ud To demonstrate our approach, we discuss a UML-based AOM model of the "Crisis Management System" and a possible design and evolution scenario. The complexity of the system makes con°icts among composed aspects hard to detect: already in the case of two simulated aspects, the state space contains 623 di®erent states and 9 different execution paths. Nevertheless, in case the right pruning methods are used, the state-space only grows linearly with the number of aspects; therefore, the automatic analysis scales

Towards Knowledge-Intensive Software Engineering

Postprin

Runtime observable and adaptable UML state machine-based software components generation and verification: [email protected] approach

Cyber-Physical Systems (CPSs) are embedded computing systems in which computation interacts closely with the physical world through sensors and actuators. CPSs are used to control context aware systems. These types of systems are complex systems that will have different configurations and their control strategy can be configured depending the environmental data and current situation of the context. Therefore, in current industrial environments, the software of embedded and Cyber-Physical systems have to cope with increasing complexity, uncertain scenarios and safe requirements at runtime. The UML State Machine is a powerful formalism to model the logical behaviour of these types of systems, and in Model Driven Engineering (MDE) we can generate code automatically from these models. MDE aims to overcome the complexity of software construction by allowing developers to work at the high-level models of software systems instead of low-level codes. However, determining and evaluating the runtime behaviour and performance of models of CPSs using commercial MDE tools is a challenging task. Such tools provide little support to observe at model-level the execution of the code generated from the model, and to collect the runtime information necessary to, for example, check whether defined safe properties are met or not. One solution to address these requirements is having the software components information in model terms at runtime ([email protected]). Work on [email protected] seeks to extend the applicability of models produced in MDE approaches to the runtime environment. Having the model at runtime is the first step towards the runtime verification. Runtime verification can be performed using the information of model elements (current state, event, next state,etc.) This thesis aims at advancing the current practice on generating automatically Unified Modeling Language - State Machine (UML-SM) based software components that are able to provide their internal information in model terms at runtime. Regarding automation, we propose a tool supported methodology to automatically generate these software components. As for runtime monitoring, verification and adaptation, we propose an externalized runtime module that is able to monitor and verify the correctness of the software components based on their internal status in model terms at component and system level. In addition, if an error is detected, the runtime adaptation module is activated and the safe adaptation process starts in the involved software components. All things considered, the overall safe level of the software components and CPSs is enhanced.Sistema Ziber-Fisikoak, konputazio sistema txertatuez osatuta daude. Konputazio sistema txertatu hauek, mundu birtuala mundu fisikoarekin uztartzeko gaitasuna eskaintzen dute. Sistema ziberfisikoak orokorrean sistema konplexuak izan ohi dira eta inguruan gertazen denaren araberako konfigurazio desberdinak izan ohi dituzte. Gaur egungo industria ingurunetan, sistema hauek daramaten kontroleko softwarea asko handitu da eta beren konplexutasunak ere gorakada handia izan du: aurrez ezagunak ez diren baldintza eta inguruetan lan egin beharra dute askotan, denbora errealeko eskakizunak eta segurtasun eskakizunak ere beteaz. UML State Machine formalismoa, goian aipaturiko sistema mota horien portaera logikoa modelizatzeko erabiltzen den formalismo indartsu bat da. Formalismo honen baitan eta Model Driven Engineering (MDE) enfokea jarraituaz, sistema modelatzeko erabilitako grafikoetatik sisteman txertatua izango den kodea automatikoki sor genezake. MDEk softwarea sortzeko orduan izan genezakeen konplexutasuna gainditu nahi du, garatzailei software-sistemen goi-mailako ereduetan lan egiteko aukera emanez. Hala ere, MDE-an oinarrituriko tresna komertzialak erabiliaz, zaila izaten da berauen bidez sorturiko kodearen errendimendua eta portaera sistema exekuzioan dagoenean ebaluatzea. Tresna horiek laguntza gutxi eskaintzen dute modelotatik sortutako kodea exekutatzen ari denean sisteman zer gertatzen ari denaren informazioa modeloaren terminoetan jasotzeko. Beraz, exekuzio denboran, oso zaila izaten da sistemaren portaera egokia den edo ez aztertzea modelo mailako informazio hori erabiliaz. Eskakizun horiek kudeatzeko modu bat, software modeloaren informazioa denbora errealean izatea da ([email protected] enfokea). [email protected] enfokearen helburu nagusietako bat, MDE enfokearekin garapen fasean sortutako modeloak exekuzio denboran (runtime-en) erabilgarri izatean datza. Exekuzio denboran egiaztapen edo testing-a egin ahal izateko lehen urratsa, testeatu nahi den software horren modeloa exekuzio denboran eskuragarri izatea da. Honela, exekuzio denborako egiaztapen edo berifikazioak softwarea modelatzeko erabili ditugun elementu berberak erabiliaz egin daitke (egungo egoera, gertaera, hurrengo egoera, eta abar). Tesi honen helburutako bat UML-State Machine modeloetan oinarritutako eta exekuzio denboran beren barne egoeraren informazioa modeloko elementu bidez probestu ahalko duten software osagaiak modu automatikoan sortzea da. Automatizazioari dagokionez, lehenik eta behin, software-osagai horiek automatikoki sortzen dituzten tresnak eskaintzen dituen metodologia proposatzen dugu. Bigarrenik, UMLSM oinarritutako software osagaiak automatikoki sortuko dituen herraminta bera proposatzen dugu. Exekuzio denboran eguneraketen jarraipenari, egiaztatzeari eta egokitzeari dagokionez, barne egoera UML-SM modelo terminoetan eskaintzen duten software osagaiak egiaztatzeko eta egokitzeko gai den kanpo exekuzio modulo bat proposatzen dugu. Honela, errore bat detektatzen bada, exekuzio garaian egokitze modulua aktibatuko da egokitzapen prozesu segurua martxan jarriaz. Honek, dagokion software osagaiari abixua bidaliko dio egokitzapena egin dezan. Gauza guztiak kontuan hartuta, software osagaien eta CPSen segurtasun maila orokorra hobetua izango da.Los sistemas cyber-físicos (CPSs) son sistemas de computación embebidos en los que la computación interactúa estrechamente con el mundo físico a través de sensores y actuadores. Los CPS se utilizan para controlar sistemas que proveen conocimiento del contexto. Este tipo de sistemas son sistemas complejos que suelen tener diferentes configuraciones y su estrategia de control puede configurarse en función de los datos del entorno y de la situación actual del contexto. Por lo tanto, en los entornos industriales actuales, el software de los sistemas embebidos tiene que hacer frente a la creciente complejidad, los escenarios inciertos y los requisitos de seguridad en tiempo de ejecución. Las máquinas de estado UML son un formalismo muy utilizado en industria para modelar el comportamiento lógico de este tipo de sistemas, y siguiendo el enfoque Model Driven Engineering (MDE) podemos generar código automáticamente a partir de estos modelos. El objetivo de MDE es superar la complejidad de la construcción de software permitiendo a los desarrolladores trabajar en los modelos de alto nivel de los sistemas de software en lugar de tener que codificar el control mediante lenguajes de programación de bajo nivel. Sin embargo, determinar y evaluar el comportamiento y el rendimiento en tiempo de ejecución de estos modelos generados mediante herramientas comerciales de MDE es una tarea difícil. Estas herramientas proporcionan poco apoyo para observar a nivel de modelo la ejecución del código generado a partir del modelo. Por lo tanto, no son muy adecuadas para poder recopilar la información de tiempo de ejecución necesaria para, por ejemplo, comprobar si se cumplen o no las restricciones definidas. Un enfoque para gestionar estos requisitos, es tener la información de los componentes de software en términos de modelo en tiempo de ejecución ([email protected]). El trabajo en [email protected] busca ampliar la aplicabilidad de los modelos producidos en fase de desarrollo mediante el enfoque MDE al entorno de tiempo de ejecución. Tener el modelo en tiempo de ejecución es el primer paso para poder llevar a cabo la verificación en tiempo de ejecución. Así, esta verificación se podrá realizar utilizando la información de los elementos del modelo (estado actual, evento, siguiente estado, etc.). El objetivo de esta tesis es avanzar en la práctica actual de generar automáticamente componentes software basados en Unified Modeling Language - State Machine (UML-SM) que sean capaces de proporcionar información interna en términos de modelos en tiempo de ejecución. En cuanto a la automatización, en primer lugar, proponemos una metodología soportada por herramientas para generar automáticamente estos componentes de software. En segundo lugar, proponemos un marco de trabajo de generación de componentes de software basado en UML-SM. En cuanto a la monitorización, verificación y adaptación en tiempo de ejecución, proponemos un módulo de tiempo de ejecución externalizado que es capaz de monitorizar y verificar la validez de los componentes del software en función de su estado interno en términos de modelo. Además, si se detecta un error, se activa el módulo de adaptación en tiempo de ejecución y se inicia el proceso de adaptación seguro en el componente de software correspondiente. Teniendo en cuenta todo esto, el nivel de seguridad global de los componentes del software y de los CPS se ve mejorado