Model-Driven Development of Software-Intensive Cyber-Physical Systems

Abstract

Software-Intensive Cyber-Physical Systems (siCPS) are modular, open-ended, networked, large-scale embedded Information and Communication Technology (ICT) systems that are increasingly depending on software. They need to be both dependable and flexible to adapt to changes in their dynamic environments. This combination poses challenges in their design and development, as traditional model-driven design and development techniques cannot account for both dependability and self-adaptivity. The thesis proposes (1) a new, model-based design process for siCPS, which comprises both appropriate methods and models and deals with dependability and self-adaptivity, and (2) a mapping of the design models to implementation-level abstractions, which allows for model-driven development and early experimentations in siCPS. Specifically, the thesis delivers (1) by introducing and elaborating on the Invariant Refinement Method (IRM), and its extension for self-adaptivity, for the design of siCPS based on the ensemble paradigm. IRM was integrated into the ensemble development life cycle, a methodology for the development of autonomic ensemble-based systems. Contributing to (2), the thesis provides a mapping of the IRM concepts to the concepts of the DEECo components model. The mapping is supported by prototype...

Softwarové cyber-physical systémy (siCPS) jsou modulární, otevřené, propojené a rozsáhlé ICT systémy, které stále více závisejí na softwaru. Tyto systémy musejí být spolehlivý a zároveň schopné se adaptovat na změny v proměnlivém prostředí, ve kterém jsou provozovány. Tato kombinace činí jejich návrh a realizaci obtížnými, neboť tradiční modelem řízené techniky pro návrh a vývoj nejsou schopny brát v potaz zároveň spolehlivost a autoadaptivitu. Tato práce navrhuje: (1) nový, modelem řízený proces návrhu siCPS systémů, který obsahuje vhodné metodiky a modely a zároveň podporuje spolehlivost i autoadaptivitu; a (2) mapování vzniklých návrhových modelů do abstrakcí na úrovni implementace, což umožňuje modelem řízený vývoj a rychlé experimentování v kontextu siCPS. Konkrétní realizaci bodu (1) představuje zavedení a rozpracování metody Invariant Refinement Method (IRM) - a jejího rozšíření pro podporu adaptivity - určené pro návrh siCPS založených na konceptu tzv. ansámblů. IRM je integrováno do metodiky vytvořené pro vývoj autonomních systémů založených na ansámblech. Z hlediska realizace bodu (2) práce navrhuje mapování z IRM konceptů do konceptů komponentového modelu DEECo. Mapování je podloženo implementačními prototypy nástrojů pro manipulace s modelem. Důležitou součástí práce je rovněž...