[論文レビュー] A Requirements Modeling Language for the Component Behavior of Cyber Physical Robotics Systems

Jan Oliver Ringert, Bernhard Rumpe⋆+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2014

Advanced Software Engineering Methodologies参考文献 32被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、モンティアーキ（MontiArc）アーキテクチャ記述言語に拡張を加え、I/O!オートマトンを統合して、サイバーフィジカルロボティクスコンポーネントの行動要件をモデル化することを提案する。早期のシミュレーション、形式的解析、コード生成を可能にすることで、ロボティクスソフトウェア開発におけるモジュラリティと正しさが向上し、レゴNXTプラットフォームを用いた事例研究によってその有効性が示された。

ABSTRACT

Software development for robotics applications is a sophisticated endeavor as robots are inherently complex. Explicit modeling of the architecture and behavior of robotics application yields many advantages to cope with this complexity by identifying and separating logically and physically independent components and by hierarchically structuring the system under development. On top of component and connector models we propose modeling the requirements on the behavior of robotics software components using I/O! automata. This approach facilitates early simulation of requirements model, allows to subject these to formal analysis and to generate the software from them. In this paper, we introduce an extension of the architecture description language MontiArc to model the requirements on components with I/O!automata, which are defined in the spirit of Martin Glinz Statecharts for requirements modeling [10]. We furthermore present a case study based on a robotics application generated for the Lego NXT robotic platform.

研究の動機と目的

• ロボティクスソフトウェア開発の複雑さに対処するため、コンポーネントの動作を明示的にモデル化すること。
• ロボティクスシステムにおける行動要件の早期検証と検査を支援すること。
• 形式的モデリングを通じて、高水準な要件と実装可能なソフトウェアの間のギャップを埋めること。
• 形式的に指定されたコンポーネント動作からコード生成を可能にすること。
• 本手法の実用性と利点を、レゴNXTのような実世界のロボティクスプラットフォームでの事例研究を通じて示すこと。

提案手法

• モンティアーキにI/O!オートマトンを統合し、コンポーネントレベルの行動要件をモデル化すること。
• マーティン・グリンツのステートチャートを要件モデリングのスタイルとして用い、I/O!オートマトンでコンポーネントの動作を定義すること。
• コンポーネントとコネクタのアーキテクチャモデルに形式的記法を統合し、責任の分離を図ること。
• 実装の前段階で要件モデルのシミュレーションを可能にすること。
• 不整合性の検出や正しさの検証を早期に実施できる形式的解析技術を適用すること。
• 形式的に指定されたコンポーネント動作から実行可能なコードを生成すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロボティクスソフトウェアコンポーネントの行動要件を、早期検証を向上させるために形式的にどのようにモデル化できるか？
• RQ2 モンティアーキのようなアーキテクチャ記述言語にI/O!オートマトンを統合することで、ソフトウェア開発の品質にどのような影響を与えるか？
• RQ3 提案されたモデリング手法は、ロボティクスシステムにおいてシミュレーションとコード生成の両方をサポートできるか？
• RQ4 本手法は、サイバーフィジカルロボティクスシステムにおけるコンポーネント相互作用の複雑さをどのように扱うか？
• RQ5 レゴNXTのような実世界のロボティクスプラットフォームにおいて、本手法の実用的利点は何か？

主な発見

• I/O!オートマトンをモンティアーキに統合することで、行動要件の早期シミュレーションが可能となり、設計エラーの低減が図られた。
• モデルの形式的解析により、実装前の段階で不整合性や違反の検出が可能になった。
• 形式的要件に従って自動的にコード生成が可能となり、開発効率が向上した。
• レゴNXTプラットフォームを用いた事例研究により、本手法の実用性と実用的妥当性が確認された。
• コンポーネントとコネクタのモデリングによる責任の分離に加え、形式的動作仕様を組み合わせることで、システムの保守性が向上した。
• 要件から実装への構造的なパスを提供することで、ロボティクスソフトウェア開発における曖昧性が低減された。