Abordagem para evolução da arquitetura de sistemas embarcados com uso intenso de sensores e atuadores

Abstract

A constante evolução dos dispositivos de sensoriamento e atuação (S&A) faz com que os projetistas avaliem potenciais modificações de projeto da Arquitetura de Sistemas (AS) de Cyber Physical System (CPS) durante o seu ciclo de vida. Estes dispositivos desempenham um papel crítico, pois são os mecanismos pelos quais o software(ciber) interage com o mundo físico. A troca ou inclusão destes dispositivos na arquitetura é uma atividade complexa composta de um conjunto de etapas dedicadas à modelagem das características, propriedades e requisitos do sistema. Desta forma, detalhar as etapas e atividades de desenvolvimento do projeto pode auxiliar a equipe de projetistas durante a representação e gerenciamento dos recursos da arquitetura. Entretanto, algumas etapas são mais discutidas na comunidade científica, tais como a modelagem e análise das características da arquitetura, e outras carecem de mais estudos, como por exemplo a exploração de cenários de troca dos dispositivos de S&A. Neste contexto, é necessário que os projetistas tenham experiência para realizar as atividades que contemplem a seleção, exploração e análise de compatibilidade desses dispositivos, uma vez que, a ausência de informações dificulta o desenvolvimento das etapas de projeto. Existem diferentes abordagens na literatura que buscam fornecer um conjunto de etapas e atividades de suporte ao desenvolvimento de CPS. Entretanto, elas não descrevem em detalhes as atividades e ferramentas de suporte ao fluxo de etapas de projeto. Por conta disso, esta tese apresenta uma abordagem que busca contribuir com o processo de troca de dispositivos de S&A da arquitetura, e consequentemente guiar os projetistas na realização das atividades de avaliação e e análise de características. A Engenharia Dirigida por Modelos (Model Driven Engineering - MDE) é utilizada como base da abordagem proposta e fornece suporte à modelagem arquitetural através de Linguagens de Descrição de Arquiteturas (LDA). Permitindo, desta forma, a representação dos componentes através de ontologia e da exploração de dispositivos candidatos, incluindo a análise inicial e a posterior seleção do cenário evoluído. Além disso, optou-se por utilizar duas abordagens apoiadas por ferramentas que foram desenvolvidas ao longo desta tese: OWL2AADL e DevCompatibility. A abordagem OWL2AADL permite a transformação de modelos de ontologia do domínio de arquitetura de sistemas, descritos em Ontology Web Language (OWL), para modelos arquiteturais Architecture Analysis and Design Language (AADL). Já a abordagem DevCompatibility fornece suporte automatizado às atividades de exploração, análise e ranqueamento de cenários da abordagem de evolução de arquiteturas. Para demonstrar a aplicabilidade da proposta, a abordagem e ferramentas desenvolvidas são aplicadas ao projeto de um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) do tipo tilt-rotor. É importante ressaltar que os detalhes da abordagem proposta são demonstrados no processo de evolução da arquitetura de um VANT em questão.

Abstract: The constant evolution of sensing and actuation devices (S&A) causes designers to evaluate potential modifications in the operational architecture of CPS during the project lifecycle. These devices are the mechanisms by which (cyber) software interacts with the physical world. The exchange or inclusion of these devices in the architecture is a complex activity, composed of a set of phases dedicated to the modeling of characteristics, and properties and requirements of the system. This way, detailing the phases and the development of the project activities can be of help to the team of designers, during the representation and management of architectural resources. Meanwhile, some phases are more discussed in the scientific community, such as modeling and analysis of architectural characteristics. Others demand more studies, as for example, the exploitation of S&A device exchange scenarios. In this context, it is necessary that designers have experience in performing these activities of selection and, exploitation and analysis of these devices, where the absence of information makes it difficult to the development of the project phases. There are different approaches in literature, aiming to supply a set of phases and support activities to the development of CPS. However, they do not describe in detail the activities and support tools to the step steam of the project. Thereby, this thesis presents an approach that aims to contribute with the S&A device exchange process, and consequently guide the designers through the accomplishment of these activities. MDE - Model Driven Engineering is used as a basis to the proposed approach and provides support to architectural modeling, through Architectural Description Languages (ADL), and components representation through ontology and exploitation of candidate devices, including the analysis and selection of evolved scenario. Two approaches and tools were developed - OWL2AADL and DevCompatibility to support the proposed approach activities. OWL2AADL provides the transformation of ontology models of the domain of systems architecture described in OWLto the AADL architectural models. Meanwhile, the DevCompatibility provides automatized support to the activities of exploitation, and analysis and ranking of scenarios. The proposed approach and tools are applied to the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) tilt-rotor type project. The proposed approach details are demonstrated in the evolving architectural process of a UAV, described in the study case.