[論文レビュー] Interface Modeling for Quality and Resource Management

Martijn Hendriks, Marc Geilen+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2020

Business Process Modeling and Analysis被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、コンポーネント指向の埋め込みシステムおよびサイバーフィジカルシステムにおける品質およびリソース管理（QRM）のためのドメインに依存しないインターフェースモデリングフレームワークを提案する。Pareto代数を部分順序集合（poset）上で用いることで、機能、リソース予算、品質指標（例：遅延、エネルギー）の観点からコンポーネント構成をモデル化し、合成的精錬および制約に基づく構成合成を通じて動的再構成と多目的最適化を可能にする。

ABSTRACT

We develop an interface-modeling framework for quality and resource management that captures configurable working points of hardware and software components in terms of functionality, resource usage and provision, and quality indicators such as performance and energy consumption. We base these aspects on partially-ordered sets to capture quality levels, budget sizes, and functional compatibility. This makes the framework widely applicable and domain independent (although we aim for embedded and cyber-physical systems). The framework paves the way for dynamic (re-)configuration and multi-objective optimization of component-based systems for quality- and resource-management purposes.

研究の動機と目的

• 最適なサービス品質およびリソース利用を達成するため、ランタイムでのコンポーネント指向システムの動的再構成を可能にすること。
• 機能、リソース使用量、品質のトレードオフを捉える、形式的でドメインに依存しないコンポーネントインターフェースモデリングフレームワークを提供すること。
• パフォーマンス、エネルギー、リソース予算に関する制約の下で、システム構成の多目的最適化を支援すること。
• 品質およびリソース効率性において他を支配する場合に、コンポーネントを安全に交換可能であることを保証する、合成的精錬を可能にすること。
• QRMインターフェースを指定し、ツール支援の構成合成を可能にする、ドメイン固有のモデリング言語（QRML）を定義すること。

提案手法

• 各コンポーネント構成を、部分順序集合（poset）上で定義された5つの要素（入力、出力、必要な予算、提供される予算、品質）を用いてモデル化する。
• Pareto代数を用いてコンポーネント構成を表現・合成し、支配関係に基づく精錬および最適化を可能にする。
• 基本的な合成パターン（代替および集約）を、poset上でのmin、射影、交差といった演算を用いて正式に定義し、システムレベルの構成をモデル化する。
• 支配関係を保つ演算（Pareto最小集合の計算に適している）と制約に基づく定式化（Z3などのソルバーと互換性がある）の両方をサポートする。
• QRML（ドメイン固有言語）を用いてQRMモデルを指定し、外部の最適化ツール向けに制約形式または代数的形に変換する。
• 外部マネージャーがリアルタイムのシステム要件に基づいて最適な構成を選択できるようにすることで、ランタイムにおける品質およびリソース管理を実現する。

Figure 1. An example video-processing system with a single stream.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 品質およびリソース管理を支援するため、コンポーネントインターフェースをどのように形式的にモデル化できるか？
• RQ2 品質およびリソースのトレードオフを保ちながら、コンポーネント構成の合成を可能にする数学的基盤は何か？
• RQ3 設定可能な作動ポイントを有するコンポーネント指向システムにおいて、多目的最適化をどのように効率的に行えるか？
• RQ4 部分順序空間における支配関係を用いて、コンポーネントの交換をどのように安全に推論できるか？
• RQ5 フレームワークを特定のドメインに適用する際、一般性と合成可能性を維持しながらどのようにインスタンス化できるか？

主な発見

• 支配関係に基づく精錬関係により、コンポーネントの安全な交換が可能である。具体的には、品質およびリソース使用量において他を支配する実装は、代替可能である。
• Pareto代数の使用により、品質およびリソース指標に関する最適化が数学的に厳密かつシステムコンポーネント全体にわたって合成可能であることが保証される。
• フレームワークはオンラインおよびオフライン最適化を両方サポートする。支配関係を保つ演算により、効率的なランタイム構成が可能であり、制約に基づく定式化により、Z3などのソルバーによる近似が可能である。
• 動画処理システムの実行例は、代替および集約といった基本的演算が、コンポーネントインターフェースから正当なシステム構成を導出可能であることを示している。
• QRML言語は、ドメイン固有のQRM制約および構成を形式的かつ拡張可能に記述できる仕様言語を提供し、開発段階でツール支援が可能である。
• このフレームワークは、埋め込みシステムおよびサイバーフィジカルシステムに適用可能であり、形式的手法および合成的推論に強い基盤を有する。

Figure 2. The interface for quality and resource management.