[论文解读] The Handbook of Engineering Self-Aware and Self-Expressive Systems

Tao Chen, Funmilade Faniyi+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2014

Advanced Software Engineering Methodologies参考文献 15被引用 34

一句话总结

本手册提出一种基于模式的系统工程方法与架构原语，用于构建自感知与自表达系统，通过可重用的模式（如目标共享和时间知识感知）实现去中心化、自适应行为。该方法在动态环境（如智能摄像头网络）中表现出强健性，主动的社会经济策略可在摄像头故障或重新配置期间维持高利用率，优于静态方法。

ABSTRACT

When faced with the task of designing and implementing a new self-aware and self-expressive computing system, researchers and practitioners need a set of guidelines on how to use the concepts and foundations developed in the Engineering Proprioception in Computing Systems (EPiCS) project. This report provides such guidelines on how to design self-aware and self-expressive computing systems in a principled way. We have documented different categories of self-awareness and self-expression level using architectural patterns. We have also documented common architectural primitives, their possible candidate techniques and attributes for architecting self-aware and self-expressive systems. Drawing on the knowledge obtained from the previous investigations, we proposed a pattern driven methodology for engineering self-aware and self-expressive systems to assist in utilising the patterns and primitives during design. The methodology contains detailed guidance to make decisions with respect to the possible design alternatives, providing a systematic way to build self-aware and self-expressive systems. Then, we qualitatively and quantitatively evaluated the methodology using two case studies. The results reveal that our pattern driven methodology covers the main aspects of engineering self-aware and self-expressive systems, and that the resulted systems perform significantly better than the non-self-aware systems.

研究动机与目标

• 提出一种基于架构模式的系统化方法，用于设计自感知与自表达系统。
• 解决在特定应用领域之外缺乏通用、可重用模式的问题，以支持自适应系统。
• 通过去中心化、基于能力的架构设计，使系统能够自主适应环境变化。
• 提供一个框架，利用分析模型与仿真模型评估非功能性需求。

提出的方法

• 提出一种基于能力（如刺激感知、行为、交互）的模式表示法，而非组件，以支持灵活实现。
• 引入八种核心架构模式：基础模式、信息共享模式、协调决策模式、时间知识共享模式、时间知识感知模式、目标共享模式、时间目标感知模式以及元自感知模式。
• 采用六步方法：需求收集、候选架构提案、模式选择、模式适配、原语选择、场景创建，以及多准则评分。
• 使用仿真模型评估不同备选方案在利用率、适应性与响应时间等非功能性属性上的表现。
• 在动态摄像头网络中应用社会经济策略（STEP与SMOOTH），实现主动适应。
• 通过两个案例研究验证该方法：云自动扩展与运行时发生变更的智能摄像头网络。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过可重用的架构模式系统化地构建自感知与自表达系统？
• RQ2 哪些架构原语（能力、行为、交互、拓扑）最能支持自感知与自表达？
• RQ3 不同模式（如目标共享或时间知识感知）如何实现去中心化、自适应行为？
• RQ4 在摄像头故障或重新定位等运行时变更期间，主动的社会经济策略在多大程度上能维持系统利用率？
• RQ5 如何利用仿真与分析模型评估并优化非功能性需求？

主要发现

• 在实验3中，SMOOTH与STEP策略在摄像头重新定位后仍保持高网络利用率，而静态方法性能显著下降。
• 在实验4中，运行时新增摄像头导致主动方法利用率提升，尽管由于覆盖重叠，增益有限。
• 在摄像头故障期间（实验5），被动静态方法利用率下降，而SMOOTH与STEP等社会经济策略成功重新学习视觉图并维持了跟踪能力。
• 所提出的系统方法通过基于场景的仿真与评分，有效支持了架构原语与备选方案的选择。
• 基于模式的方法在动态环境变化下，成功支持了智能摄像头网络中的去中心化、自适应行为。
• 时间感知与目标感知模式的使用，提升了系统在不确定、动态演变环境中的鲁棒性与响应速度。