[論文レビュー] UML4IoT - A UML profile to exploit IoT in cyber-physical manufacturing systems

Kleanthis Thramboulidis, Foivos Christoulakis|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2015

Digital Transformation in Industry被引用数 10

ひとこと要約

UML4IoTは、サイバーフィジカル製造システムをインターネット・オブ・シングス（IoT）とシームレスに統合するためのUMLプロファイルを提案する。この手法により、IoT準拠のミドルウェア層の自動生成が可能となり、設計段階およびソースコード段階での完全な自動化が実現される。ガベージ・コレクタのチューニングを施したmyLiqueurラボシステムのプロトタイプ実装により、性能向上が確認された。

ABSTRACT

Internet of Things is changing the world. The manufacturing industry has already identified that the IoT brings great opportunities to retain its leading position in economy and society. However, the adoption of this new technology changes the development process of the manufacturing system and raises many challenges. In this paper the modern manufacturing system is considered as a composition of cyber-physical, cyber and human components and IoT is used as a glue for their integration as far as it regards their cyber interfaces. The key idea is a UML profile for the IoT with an alternative to apply the approach also at the source code level specification of the component in case that a UML design specification is not available. The proposed approach, namely UML4IoT, fully automates the generation process of the IoT-compliant layer that is required for the cyber-physical component to be integrated in the modern IoT manufacturing environment. A prototype implementation of the myLiqueur laboratory system has been developed to demonstrate the applicability and effectiveness of the UML4IoT approach.

研究の動機と目的

• 標準的かつ自動化された方法で、サイバーフィジカル製造システムをIoT技術と統合する課題に対処すること。
• IoT対応のサイバーフェーシングを介して、サイバーフィジカル、サイバー、および人間のコンポONENT間のシームレスな相互運用性を実現すること。
• 設計時およびソースコード段階でのIoT統合の両方をサポートする、UMLベースのモデリング手法を提供すること。
• 製造システムにおけるコンポONENT統合に必要な、IoT準拠のソフトウェア層の自動生成を可能にすること。
• myLiqueurラボシステムにおけるプロトタイプ実装を通じて、手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 本稿では、IoT対応のサイバーフィジカル製造システムをモデリングすることを目的とした、UMLプロファイル「UML4IoT」を導入する。
• 本手法は、接続性、データ形式、通信プロトコルなどのIoT固有のプロパティを、UMLスタereotypeとタグ付き値を用いてコンポonentに付加することで、実装する。
• UMLモデルからIoTミドルウェア層の自動コード生成を可能にし、手動実装の負荷を低減する。
• UMLモデルが利用できない場合には、アノテーションを用いた直接的なソースコード段階での仕様記述も可能である。
• 本手法は、既存のUMLモデリングツールと統合可能であり、モデル指向開発（MBE）の原則を支援する。
• プロトタイプ実装では、ガベージ・コレクタの最適化による性能チューニングが実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UMLをどのように拡張することで、IoT対応のサイバーフィジカル製造システムを標準的な方法でモデリングできるか？
• RQ2 UMLモデルからIoT準拠のミドルウェアを自動生成することは可能か？
• RQ3 設計段階およびソースコード段階の両方で、IoT統合をどのように支援できるか？
• RQ4 自動生成されたIoTミドルウェアによる、性能上のオーバーヘッドまたは向上はどの程度達成可能か？
• RQ5 UML4IoTは、製造システム内での異種コンポonent間の相互運用性をどの程度実現できるか？

主な発見

• UML4IoTプロファイルは、サイバーフィジカルコンポonent向けに、IoT準拠のミドルウェア層を自動生成可能であることを成功裏に実証した。
• myLiqueurラボシステムのプロトタイプ実装により、本手法の実現可能性と有効性が確認された。
• 性能測定の結果、ガベージ・コレクタのチューニングにより性能向上が確認され、スケーラビリティの可能性が示された。
• 本手法は、モデルベースとソースコード段階の両方の仕様記述をサポートしており、導入における柔軟性を向上させた。
• 本手法により、標準化されたIoTインタフェースを介して、サイバーフィジカル、サイバー、および人間のコンポonentのエンドツーエンド統合が可能になった。
• UML4IoTプロファイルは、標準的かつ拡張可能で、ツール支援が可能な、製造システムにおけるIoT統合のための方法を提供した。