[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种面向基于组件的嵌入式与信息物理系统中质量与资源管理（QRM）的领域无关接口建模框架。该框架基于偏序集上的Pareto代数，以功能、资源预算和质量度量（如延迟、能耗）来建模组件配置，通过组合式细化和基于约束的配置综合，实现动态重构与多目标优化。

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.

研究动机与目标

• 实现基于组件的系统在运行 runtime 的动态重构，以实现最优服务质量与资源利用率。
• 提供一种形式化、领域无关的组件接口建模框架，以捕捉功能、资源使用与质量权衡。
• 在性能、能耗与资源预算约束下，支持系统配置的多目标优化。
• 通过确保若一个组件在质量和资源效率上占优，则可安全替换另一个组件，实现组合式细化。
• 定义一种领域特定建模语言（QRML），用于指定QRM接口，并支持工具化的配置综合。

提出的方法

• 该框架使用五个元素对每个组件配置进行建模：输入、输出、所需预算、提供预算和质量，所有元素均定义在偏序集（posets）之上。
• 采用Pareto代数表示和组合组件配置，支持基于占优关系的细化与优化。
• 通过在偏序集上使用最小化、投影和交集等操作，正式定义了基本组合模式（如选择与聚合），以建模系统级配置。
• 该框架支持保持占优关系的操作（适用于Pareto最小集的计算）和基于约束的公式（与Z3等求解器兼容）。
• QRML（一种领域特定语言）用于指定QRM模型，并将其转换为约束形式或代数形式，以供外部优化工具使用。
• 该方法通过允许外部管理器根据实时系统需求选择最优配置，实现运行时的质量与资源管理。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对组件接口进行形式化建模，以支持质量与资源管理的动态重构？
• RQ2 何种数学基础可支持在保持质量与资源权衡的前提下，组合组件配置？
• RQ3 如何在具有可配置工作点的基于组件的系统上高效执行多目标优化？
• RQ4 如何在偏序空间中利用占优关系安全地推理组件替换？
• RQ5 如何在保持通用性与可组合性的同时，将该框架实例化于特定领域？

主要发现

• 该框架通过基于占优关系的细化关系实现安全的组件替换，即当一个组件实现提供更优或相等的质量与资源使用时，可占优于另一组件。
• Pareto代数的使用确保了在质量与资源度量上的优化具有数学严谨性，并可在系统组件间实现可组合性。
• 该框架支持在线与离线优化：保持占优关系的操作可实现高效的运行时配置，而基于约束的公式则可通过Z3等求解器实现近似求解。
• 视频处理系统的运行示例表明，基本操作（如选择与聚合）可用于从组件接口推导出有效的系统配置。
• QRML语言提供了一种形式化且可扩展的建模语言，用于表达领域特定的QRM约束与配置，并在开发中获得工具支持。
• 该框架适用于嵌入式与信息物理系统，具有坚实的正式方法基础与组合式推理能力。

Figure 2. The interface for quality and resource management.