QoS-aware model-based systems design using systems modeling language

Abstract

Systems Engineering (SE) is a methodological approach for the design, implementation, technical management, operation, and potential improvement of systems. Systems Design (SD) is one of the core activities of this process. Model-Based Systems Design (MBSD) is a prominent approach for the efficient design of systems, and in particular complex Systems of Systems (SoS). MBSD advocates the creation of conceptual system models that provide unified, visual representations of a system. All stakeholders should be able to understand these models at different levels of complexity (e.g., ranging from a single unit to an entire SoS). MBSD can be implemented using the Systems Modeling Language (SysML), an Object Management Group (OMG) standard. SysML enables the description of a wide range of SoS and can be applied in different design activities and system domains, being accepted by both academia and industry. Among several parameters involved in SD, Quality of Service (QoS) is a critical factor that constrains design decisions. QoS reflects the operating levels of a system under certain conditions that affect the quality of the provided functionality. Despite it being a clear indicator of the quality of services that the end-users of a system are expected to enjoy, there is no complete framework that integrates QoS into design efficiently using MBSD and SysML. Moreover, the current version of SysML does not directly address QoS concepts. However, the primitive notion of SysML requirements can be used and extended to describe and manage QoS. The focus of extended QoS requirements is to capture what the system provides to its users, service-wise, rather than to encapsulate system behavior. To evaluate such requirements one has to assess system outcomes, via system analysis, to verify whether the latter satisfy the users (or not). Satisfying certain QoS requirements requires a designer to decide upon different key aspects of the system, such as its configuration. Serving QoS is further tied to the costs needed to acquire/operate the system. The aim of this work is to explore QoS using MBSD and SysML. We build upon the frameworks of Friedenthal, Unified Architecture Framework (UAF), and Systems Modeling Toolbox (SYSMOD), and we extend them to manage QoS. In particular, QoS requirements are specified and integrated into SysML models. Analysis models (based on simulations or mathematical solvers) are employed to evaluate these requirements. Moreover, the system model encapsulates a decision-support model, for decision-making, as well as a cost model, for assessing costs. We apply our QoS-aware SysML-based MBSD framework to two domains, i.e. Railway Transportation Systems (RTS) and Cyber-Physical Human Systems (CPHS). In RTS, we focus on the operation of such systems based on the specification and evaluation of the quality of the comfort of commuters while they wait at stations or trains. This quality is quantified using Level of Service (LoS), a quantitative index for the overall performance of a service from the viewpoint of the service provider. In parallel, the operating costs, depending on the achieved LoS, are analyzed. In CPHS, we focus on engaging human participants in design, considering their concerns and quality requirements. The participants dive into system details via specific views (e.g., human and/or system view) and modeling constructs, depicting key performance indicators. Their concerns are satisfied with an appropriate system design through a process that continuously develops and maintains the bonds between the human participant and the system. Therefore, humans are expected to establish deep awareness of the CPHS and increased willingness to participate when it is rolled out. These case studies demonstrate the generality and applicability of our framework.

Η Μηχανική Συστημάτων (Systems Engineering (SE)) αποτελεί μία μεθοδολογική προσέγγιση για τη σχεδίαση, την υλοποίηση, την τεχνική διαχείριση, τη λειτουργία, και την πιθανή βελτίωση συστημάτων. Συγκεκριμένα, η Σχεδίαση Συστημάτων (Systems Design (SD)) είναι μία από τις βασικές δραστηριότητες αυτής της διαδικασίας. Η Μοντελο-κεντρική Σχεδίαση Συστημάτων (Model-Based Systems Design (MBSD)) είναι η προτιμητέα προσέγγιση για την αποτελεσματική σχεδίαση συστημάτων και ιδίως σύνθετων συστημάτων αποτελούμενων από υποσυστήματα (Systems of Systems (SoS)). Το MBSD υποστηρίζει τη δημιουργία εννοιολογικών μοντέλων συστημάτων τα οποία παρέχουν ενοποιημένες, οπτικές αναπαραστάσεις ενός συστήματος. Όλοι οι ενδιαφερόμενοι (stakeholders) πρέπει να είναι σε θέση να κατανοήσουν αυτά τα μοντέλα σε διαφορετικά επίπεδα πολυπλοκότητας (παραδείγματος χάριν, επίπεδα που κυμαίνονται από μια διακριτή μονάδα του συστήματος μέχρι και ένα ολόκληρο σύστημα). Επίσης, το MBSD μπορεί να υλοποιηθεί με τη χρήση της Γλώσσας Μοντελοποίησης Συστημάτων (Systems Modeling Language (SysML)), ένα πρότυπο της Ομάδας Διαχείρισης Αντικειμένων (Object Management Group (OMG)). H SysML επιτρέπει την περιγραφή ενός ευρέος φάσματος σύνθετων συστημάτων και μπορεί να εφαρμοστεί σε διαφορετικές σχεδιαστικές δραστηριότητες και διαφορετικά πεδία συστημάτων, ενώ είναι αποδεκτή τόσο από την ακαδημαϊκή κοινότητα όσο και από τη βιομηχανία. Μεταξύ αρκετών παραμέτρων που εμπλέκονται στη σχεδίαση συστημάτων, η Παρεχόμενη Ποιότητα Υπηρεσίας (Quality of Service (QoS)) αποτελεί κρίσιμο παράγοντα που περιορίζει τις αποφάσεις σχεδίασης. Το QoS αντικατοπτρίζει τα επίπεδα λειτουργίας ενός συστήματος κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες οι οποίες επηρεάζουν την ποιότητα της παρεχόμενης λειτουργικότητας. Παρά το γεγονός ότι το QoS είναι η εύληπτη ένδειξη της ποιότητας των υπηρεσιών που αναμένουν οι τελικοί χρήστες από το σύστημα που χρησιμοποιούν, δεν υφίσταται ολοκληρωμένο πλαίσιο που ενσωματώνει αποτελεσματικά την έννοια της παρεχόμενης ποιότητας υπηρεσίας κατά τη σχεδίαση, χρησιμοποιώντας αποδοτικά MBSD και SysML. Επιπλέον, η τρέχουσα έκδοση της SysML δεν υποστηρίζει άμεσα έννοιες συνυφασμένες με την ποιότητα υπηρεσίας. Ωστόσο, η έννοια της απαίτησης που παρέχει η ίδια η SysML μπορεί να χρησιμοποιηθεί και να επεκταθεί για την περιγραφή και διαχείριση QoS. Ο στόχος των εκτεταμένων απαιτήσεων QoS είναι να απεικονίσουν την ποιότητα που παρέχει το σύστημα στους χρήστες του, από άποψη υπηρεσιών, και όχι να περιγράψουν τη συμπεριφορά του συστήματος. Για την αξιολόγηση τέτοιων απαιτήσεων είναι αναγκαίο να αναλυθεί το σύστημα και να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την ανάλυση, έτσι ώστε να επαληθευτεί εάν ικανοποιούνται οι χρήστες (ή όχι). Η ικανοποίηση ορισμένων απαιτήσεων QoS απαιτεί από το σχεδιαστή να αποφασίσει βασικές πτυχές του συστήματος, όπως η διάταξή του (configuration). Αποφάσεις σχετικές με το QoS κατά τη σχεδίαση επηρεάζονται και από παράγοντες κόστους, όπως είναι τα έξοδα που απαιτούνται για την απόκτηση ή/και λειτουργία του συστήματος. Στόχος του διδακτορικού έργου είναι η διερεύνηση του QoS κατά τη σχεδίαση συστημάτων με τη χρήση μοντελο-κεντρικής σχεδίασης MBSD και της γλώσσας SysML. Το έργο βασίζεται στο πλαίσιο που προτείνεται από τον Friedenthal et al., το Ενοποιημένο Πλαίσιο Αρχιτεκτονικής (Unified Architecture Framework (UAF)) καθώς και την Εργαλειοθήκη Μοντελοποίησης Συστημάτων (Systems Modeling Toolbox (SYSMOD)). Αυτά τα επεκτείνουμε για να διαχειριστούμε QoS. Ειδικότερα, καθορίζονται απαιτήσεις QoS και ενσωματώνονται σε SysML μοντέλα. Μοντέλα ανάλυσης (analysis models), βασισμένα είτε σε προσομοιώσεις είτε σε μαθηματικούς επιλυτές, χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση των απαιτήσεων αυτών. Επιπλέον, το κεντρικό SysML μοντέλο ενσωματώνει μοντέλο υποστήριξης αποφάσεων για τη λήψη αποφάσεων κατά τη σχεδίαση, καθώς και μοντέλο κόστους για την αξιολόγηση των κεφαλαιακών δαπανών (Capital Expenditures (CapEx)) ή λειτουργικών εξόδων (Operating Expenses (OpEx)) του συστήματος. Το πλαίσιο MBSD SysML με επίγνωση της παρεχόμενης ποιότητας υπηρεσίας εφαρμόστηκε σε δύο πρακτικά πεδία, ήτοι τα συστήματα μεταφορών σταθερής τροχιάς (Railway Transportation Systems (RTS)) και τα cyber-physical ανθρωπο-κεντρικά συστήματα (Cyber-Physical Human Systems (CPHS)). Στα RTS, εστιάζουμε στη λειτουργία τους με βάση τον προσδιορισμό και την αξιολόγηση της ποιότητας της άνεσης των επιβατών ενώ περιμένουν σε σταθμούς ή κινούνται μέσα σε τρένα. Η ποιότητα άνεσης ποσοτικοποιείται με την υιοθέτηση και χρήση του όρου Level of Service (LoS), ως τον ποσοτικό δείκτη της απόδοσης μιας υπηρεσίας από την πλευρά του παρόχου υπηρεσιών. Παράλληλα, αναλύονται τα λειτουργικά έξοδα τέτοιων συστημάτων, ανάλογα με τα επιτευχθέντα επίπεδα λειτουργίας LoS. Στα CPHS, εστιάζουμε στη συμμετοχή των ανθρώπων στη σχεδίαση του συστήματος, λαμβάνοντας υπόψη τις ανησυχίες και τις απαιτήσεις ποιότητας που έχουν. Οι συμμετέχοντες εμπλέκονται στη σχεδίαση και στις λεπτομέρειες του συστήματος μέσω συγκεκριμένων οπτικών (παραδείγματος χάριν, οπτική ανθρώπου ή/και οπτική συστήματος) και στοιχείων του μοντέλου, που απεικονίζουν βασικούς δείκτες απόδοσης. Οι ανάγκες των συμμετεχόντων ικανοποιούνται με την κατάλληλη σχεδίαση και διάταξη του συστήματος μέσω μιας διαδικασίας που αναπτύσσεται συνεχώς και διατηρεί το δεσμό μεταξύ του ανθρώπινου συμμετέχοντα και του συστήματος. Ως εκ τούτου, οι συμμετέχοντες αναμένεται να κατανοήσουν το σύστημα και να είναι πρόθυμοι να συμμετάσχουν και να το χρησιμοποιήσουν. Τα πρακτικά πεδία που αναφέρθηκαν αναδεικνύουν τη γενικότητα και την εφαρμοσιμότητα του πλαισίου που προτείνεται.