Requirements Monitoring und Diagnose von Software-Systemen

Grosse, heterogene Software-Systeme sind heutzutage in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen allgegenwärtig. In der Regel werden mehrere Systeme zu sogenannten Systems-of-Systems (SoS) oder Cyber- Physical-Systems(CPS)zusammengeschlossen,umein breites Spektrum vonDomänen- oder Kundenanforderungen zu erfüllen. Systems-of-Systems oder Cyber-Physical-Systems umfassen sowohl Software- als auch Hardwaresysteme, die von verschiedenen Herstellern bereitgestellt werden. Die verschiedenen Hersteller verfolgen häufig eigene Entwicklungsstrategien und verwenden unterschiedliche Technologien bei der Realisierung und Implementierung der einzelnen Systeme. Das Systemverhalten, insbesondere was das Zusammenspiel der einzelnen Teile derartiger Systeme betrifft, kann daher während der Entwicklung nicht vollständig getestet werden. Fehler und Probleme zeigen sich erst, wenn die verschiedene Teilsysteme integriert werden und in der Einsatzumgebung interagieren. Die Überwachung komplexer Systeme zur Laufzeit ist daher essentiell. Es muss ständig überpüft werden, ob die definierten Anforderungen während des Systembetriebs noch erfüllt werden. Existierende Ansätze, wie etwa Requirements Monitoring, fokussieren jedoch auf das Erkennen von Fehlern zur Laufzeit, während die Fehlerdiagnose und das Auffinden der eigentlichen Fehlerquellen kaum unterstützt wird. Aufgrund der Größe und Komplexität der genannten Systeme ist allerdings die manuelle Fehleranalyse mühsam und kann ohne tiefgreifende Kenntnisse der Systemarchitektur und der eingesetzten Technologien kaum durchgeführt werden. Dieses Projekt integriert daher Ansätze aus den Forschungsbereichen Requirements Monitoring und Software Traceability, um einerseits Anforderungen zur Laufzeit zu überwachen und dann im Fehlerfall das Wissen über Beziehungen der Anforderungen zur relevanten Artefakten wie z.B. Anforderungsdokumenten, Architekturbeschreibungen oder Source Code zur Fehlerdiagnose zu verwenden. Dieses Vorhaben erfordert zunächst (i) eine gründliche State-of-the-Art Analyse im Bereich Requirements Monitoring und Traceability sowie (ii) eine Darstellung des aktuellen Stands des Praxis in der Industrie. Basierend auf dieser Zustandsanalyse planen wir (iii) die Entwicklung eines Ansatzes für die Laufzeitdiagnose und dessen Realisierung in einem werkzeugunterstützten Software-Framework. Weiters werden wir (iv) den Ansatzes auf Basis von Prototypen und Anwendung in industriellen Szenarien die evaluieren und kontinuierlich weiterentwickeln. Unsere vorgeschlagene Forschungsmethodik umfasst bekannte Forschungsmethoden im Bereich der Softwareentwicklung wie systematische Literaturstudien, Interviews und Umfragen über den State- of-the-Art, Prototyping für die iterative und schrittweise Entwicklung, sowie Fallstudien für die Evaluierung der Ergebnisse.

Große, heterogene Softwaresysteme sind heutzutage in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen allgegenwärtig. In der Regel werden mehrere Systeme zu sogenannten Systems-of-Systems oder Cyber-Physical-Systems (CPS) zusammengeschlossen, um ein breites Spektrum von Domänen- oder Kundenanforderungen zu erfüllen. Systems-of-Systems oder Cyber-Physical-Systems umfassen sowohl Software- als auch Hardwaresysteme, die typischerweise von verschiedenen Herstellern bereitgestellt werden. Diese Hersteller verfolgen häug eigene Entwicklungsstrategien und verwenden unterschiedliche Technologien bei der Realisierung und Implementierung der einzelnen Systeme. Das Systemverhalten, insbesondere was das Zusammenspiel der einzelnen Teile derartiger Systeme betrit, kann daher während der Entwicklung nicht vollständig getestet werden. Fehler und Probleme zeigen sich erst, wenn die verschiedene Teilsysteme integriert werden und in der Einsatzumgebung interagieren. Das vorrangige Ziel des ReMonDig Projektes war es, neue Wege und Ansätze zu finden wie diese komplexen und heterogenen Systeme zur Laufzeit überwacht werden können und wie auftretende Fehler effizient diagnostiziert und analysiert werden können. Basierend darauf sollten neue Konzepte, Methoden, sowie Werkzeuge entwickelt werden. Die Forschungsfragen und Ziele beschäftigten sich mit (i) der Analyse von Artefakten die in verschiedenen Systemen Anwendung finden; (ii) der Erstellung von "Trace-Links" zwischen diesen Artefakten und Informationen die während der Laufzeit gesammelt werden; (iii) der Unterstützung der Wartung und Aktualisierung dieser Trace-Links über die Lebensdauer des Systems und schließlich (iv) der Entwicklung von Werkzeugen zur Erkennung, Analyse und Behebung von Fehlern und Problemen die während der Laufzeit in einem System auftreten können. Beginnend mit der Analyse von existierenden Forschungsarbeiten und Ansätzen im Bereich der Laufzeitüberwachung hinsichtlich deren Gemeinsamkeiten und Unterschieden haben wir ein Framework sowie eine Referenzarchitektur entwickelt, welche die verschiedenen Aspekte dieser Domäne zusammengefasst und detailliert beschreibt. Ziel dabei war es, anderen Forschern und Personen die sich mit dieser Domäne beschäftigen einen umfangreichen Überblick über die Forschungs- und Werkzeuglandschaft zu bieten. Basierend auf diesen Ergebnissen haben wir unsere Forschung im ReMonDig Projekt auf zwei wesentliche Bereiche fokussiert. Erstens, im Bereich der Industrieautomatisierung, wo wir, gemeinsam mit Prof. Grünbacher vom Christian Doppler Laboratory MEVSS an der JKU Linz, basieren auf dem existierenden ReMinds Framework (http://mevss.jku.at/reminds) zusätzliche und neue Diagnose- und Visualisierungswerkzeuge entwickelt haben. Diese sollen speziell Entwicklern von solchen komplexen Systemen helfen, Laufzeitfehler rascher zu erkennen und analysieren zu können. Zum Anderen haben wir uns in ReMonDig intensiv mit CPS, genauer gesagt mit "unmanned aerial vehicles" (UAVs) oder Drohnen beschäftigt. Gemeinsam mit Prof. Cleland-Huang von der University of Notre Dame haben wir Dronology (http://www.dronology.info) entwickelt, ein Framework für die Kontrolle, Steuerung, Überwachung und Simulation von mehreren parallel fliegenden Drohnen. In beiden Gebieten ist es uns gelungen wichtige Forschungsfortschritte auf dem Gebiet der Laufzeitüberwachung und Diagnose von Systemfehlern zu erzielen.