Two-B or not two-B? Design patterns for hybrid metaheuristics

Real world search problems, characterised by nonlinearity, noise and multidimensionality, are often best solved by hybrid algorithms. Techniques embodying different necessary features are triggered at specific iterations, in response to the current state of the problem space. In the existing literature, this alternation is managed either statically (through pre-programmed policies) or dynamically, at the cost of high coupling with algorithm inner representation. We extract two design patterns for hybrid metaheuristic search algorithms, the All-Seeing Eye and the Commentator patterns, which we argue should be replaced by the more flexible and loosely coupled Simple Black Box (Two-B) and Utility-based Black Box (Three-B) patterns that we propose here. We recommend the Two-B pattern for purely fitness based hybridisations and the Three-B pattern for more generic search quality evaluation based hybridisations.

O impacto da utilização de design patterns nas métricas e estimativas de projetos de software: a utilização de padrões tem alguma influência nas estimativas?

VALENTIM, R. A. M. ; SOUZA NETO, Plácido Antônio de. O impacto da utilização de design patterns nas métricas e estimativas de projetos de software: a utilização de padrões tem alguma influência nas estimativas?. Revista da FARN, Natal, v. 4, p. 63-74, 2006

Exploring design patterns for sustainable behaviour

Products and services explicitly intended to influence users’ behaviour are increasingly being proposed to reduce environmental impact and for other areas of social benefit. Designing such interventions often involves adopting and adapting principles from other contexts where behaviour change has been studied. The ‘design pattern’ form, used in software engineering and HCI, and originally developed in architecture, offers benefits for this transposition process. This article introduces the Design with Intent toolkit, an idea generation method using a design pattern form to help designers address sustainable behaviour problems. The article also reports on exploratory workshops in which participants used the toolkit to generate concepts for redesigning everyday products—kettles, curtains, printers and bathroom sinks/taps—to reduce the environmental impact of use. The concepts are discussed, along with observations of how the toolkit was used by participants, suggesting usability improvements to incorporate in future versions.

O impacto da utilização de design patterns nas métricas e estimativas de projetos de software: a utilização de padrões tem alguma influência nas estimativas?

VALENTIM, R. A. M. ; SOUZA NETO, Plácido Antônio de. O impacto da utilização de design patterns nas métricas e estimativas de projetos de software: a utilização de padrões tem alguma influência nas estimativas?. Revista da FARN, Natal, v. 4, p. 63-74, 2006

Empirical ontology design patterns

Knowledge graphs (KGs) and ontologies have been widely adopted for modelling numerous domains. However, understanding the content of an ontology/KG is far from straightforward: existing methods partially address this issue. This thesis is based on the assumption that identifying the Ontology Design Patterns (ODPs) in an ontology or a KG contributes to address this problem. Most times, the reused ODPs are not explicitly annotated, or their reuse is unintentional. Therefore, there is a challenge to automatically identify ODPs in existing ontologies and KGs, which is the main focus of this research work. This thesis analyses the role of ODPs in ontology engineering, through experiences in actual ontology projects, placing this analysis in the context of existing ontology reuse approaches. Moreover, this thesis introduces a novel method for extracting empirical ODPs (EODPs) from ontologies, and a novel method for extracting EODPs from knowledge graphs, whose schemas are implicit. The first method groups the extracted EODPs in clusters: conceptual components. Each conceptual component represents a modelling problem, e.g. representing collections. As EODPs are fragments possibly extracted from different ontologies, some of them will fall in the same cluster, meaning that they are implemented solutions to the same modelling problem. EODPs and conceptual components enable the empirical observation and comparison of modelling solutions to common modelling problems in different ontologies. The second method extracts EODPs from a KG as sets of probabilistic axioms/constraints involving the ontological entities instantiated. These EODPs may support KG inspection and comparison, providing insights on how certain entities are described in a KG. An additional contribution of this thesis is an ontology for annotating ODPs in ontologies and KGs.

Using objects and patterns to implement domain ontologies

Ontologies are becoming an important mechanism to build information systems. Nevertheless, there is still no systematic approach to support the design of such systems using tools that are common to information systems developers. In this paper, we propose an approach for deriving object frameworks from domain ontologies and then we show the application of this approach in the software process domain.

Engineering Temporal and Spatial Aspects in OWL using Patterns

WWW is a huge, open, heterogeneous system, however its contents data is mainly human oriented. The Semantic Web needs to assure that data is readable and “understandable” to intelligent software agents, though the use of explicit and formal semantics. Ontologies constitute a privileged artifact for capturing the semantic of the WWW data. Temporal and spatial dimensions are transversal to the generality of knowledge domains and therefore are fundamental for the reasoning process of software agents. Representing temporal/spatial evolution of concepts and their relations in OWL (W3C standard for ontologies) it is not straightforward. Although proposed several strategies to tackle this problem but there is still no formal and standard approach. This work main goal consists of development of methods/tools to support the engineering of temporal and spatial aspects in intelligent systems through the use of OWL ontologies. An existing method for ontology engineering, Fonte was used as framework for the development of this work. As main contributions of this work Fonte was re-engineered in order to: i) support the spatial dimension; ii) work with OWL Ontologies; iii) and support the application of Ontology Design Patterns. Finally, the capabilities of the proposed approach were demonstrated by engineering time and space in a demo ontology about football.

A new optimised De Bruijn coding strategy for structured light patterns

Coded structured light is an optical technique based on active stereovision that obtains the shape of objects. One shot techniques are based on projecting a unique light pattern with an LCD projector so that grabbing an image with a camera, a large number of correspondences can be obtained. Then, a 3D reconstruction of the illuminated object can be recovered by means of triangulation. The most used strategy to encode one-shot patterns is based on De Bruijn sequences. In This work a new way to design patterns using this type of sequences is presented. The new coding strategy minimises the number of required colours and maximises both the resolution and the accuracy

Patterns and quality of object-oriented software systems

Lors de ces dix dernières années, le coût de la maintenance des systèmes orientés objets s'est accru jusqu' à compter pour plus de 70% du coût total des systèmes. Cette situation est due à plusieurs facteurs, parmi lesquels les plus importants sont: l'imprécision des spécifications des utilisateurs, l'environnement d'exécution changeant rapidement et la mauvaise qualité interne des systèmes. Parmi tous ces facteurs, le seul sur lequel nous ayons un réel contrôle est la qualité interne des systèmes. De nombreux modèles de qualité ont été proposés dans la littérature pour contribuer à contrôler la qualité. Cependant, la plupart de ces modèles utilisent des métriques de classes (nombre de méthodes d'une classe par exemple) ou des métriques de relations entre classes (couplage entre deux classes par exemple) pour mesurer les attributs internes des systèmes. Pourtant, la qualité des systèmes par objets ne dépend pas uniquement de la structure de leurs classes et que mesurent les métriques, mais aussi de la façon dont celles-ci sont organisées, c'est-à-dire de leur conception, qui se manifeste généralement à travers les patrons de conception et les anti-patrons. Dans cette thèse nous proposons la méthode DEQUALITE, qui permet de construire systématiquement des modèles de qualité prenant en compte non seulement les attributs internes des systèmes (grâce aux métriques), mais aussi leur conception (grâce aux patrons de conception et anti-patrons). Cette méthode utilise une approche par apprentissage basée sur les réseaux bayésiens et s'appuie sur les résultats d'une série d'expériences portant sur l'évaluation de l'impact des patrons de conception et des anti-patrons sur la qualité des systèmes. Ces expériences réalisées sur 9 grands systèmes libres orientés objet nous permettent de formuler les conclusions suivantes: • Contre l'intuition, les patrons de conception n'améliorent pas toujours la qualité des systèmes; les implantations très couplées de patrons de conception par exemple affectent la structure des classes et ont un impact négatif sur leur propension aux changements et aux fautes. • Les classes participantes dans des anti-atrons sont beaucoup plus susceptibles de changer et d'être impliquées dans des corrections de fautes que les autres classes d'un système. • Un pourcentage non négligeable de classes sont impliquées simultanément dans des patrons de conception et dans des anti-patrons. Les patrons de conception ont un effet positif en ce sens qu'ils atténuent les anti-patrons. Nous appliquons et validons notre méthode sur trois systèmes libres orientés objet afin de démontrer l'apport de la conception des systèmes dans l'évaluation de la qualité.

Impacts and Detection of Design Smells

Les changements sont faits de façon continue dans le code source des logiciels pour prendre en compte les besoins des clients et corriger les fautes. Les changements continus peuvent conduire aux défauts de code et de conception. Les défauts de conception sont des mauvaises solutions à des problèmes récurrents de conception ou d’implémentation, généralement dans le développement orienté objet. Au cours des activités de compréhension et de changement et en raison du temps d’accès au marché, du manque de compréhension, et de leur expérience, les développeurs ne peuvent pas toujours suivre les normes de conception et les techniques de codage comme les patrons de conception. Par conséquent, ils introduisent des défauts de conception dans leurs systèmes. Dans la littérature, plusieurs auteurs ont fait valoir que les défauts de conception rendent les systèmes orientés objet plus difficile à comprendre, plus sujets aux fautes, et plus difficiles à changer que les systèmes sans les défauts de conception. Pourtant, seulement quelques-uns de ces auteurs ont fait une étude empirique sur l’impact des défauts de conception sur la compréhension et aucun d’entre eux n’a étudié l’impact des défauts de conception sur l’effort des développeurs pour corriger les fautes. Dans cette thèse, nous proposons trois principales contributions. La première contribution est une étude empirique pour apporter des preuves de l’impact des défauts de conception sur la compréhension et le changement. Nous concevons et effectuons deux expériences avec 59 sujets, afin d’évaluer l’impact de la composition de deux occurrences de Blob ou deux occurrences de spaghetti code sur la performance des développeurs effectuant des tâches de compréhension et de changement. Nous mesurons la performance des développeurs en utilisant: (1) l’indice de charge de travail de la NASA pour leurs efforts, (2) le temps qu’ils ont passé dans l’accomplissement de leurs tâches, et (3) les pourcentages de bonnes réponses. Les résultats des deux expériences ont montré que deux occurrences de Blob ou de spaghetti code sont un obstacle significatif pour la performance des développeurs lors de tâches de compréhension et de changement. Les résultats obtenus justifient les recherches antérieures sur la spécification et la détection des défauts de conception. Les équipes de développement de logiciels doivent mettre en garde les développeurs contre le nombre élevé d’occurrences de défauts de conception et recommander des refactorisations à chaque étape du processus de développement pour supprimer ces défauts de conception quand c’est possible. Dans la deuxième contribution, nous étudions la relation entre les défauts de conception et les fautes. Nous étudions l’impact de la présence des défauts de conception sur l’effort nécessaire pour corriger les fautes. Nous mesurons l’effort pour corriger les fautes à l’aide de trois indicateurs: (1) la durée de la période de correction, (2) le nombre de champs et méthodes touchés par la correction des fautes et (3) l’entropie des corrections de fautes dans le code-source. Nous menons une étude empirique avec 12 défauts de conception détectés dans 54 versions de quatre systèmes: ArgoUML, Eclipse, Mylyn, et Rhino. Nos résultats ont montré que la durée de la période de correction est plus longue pour les fautes impliquant des classes avec des défauts de conception. En outre, la correction des fautes dans les classes avec des défauts de conception fait changer plus de fichiers, plus les champs et des méthodes. Nous avons également observé que, après la correction d’une faute, le nombre d’occurrences de défauts de conception dans les classes impliquées dans la correction de la faute diminue. Comprendre l’impact des défauts de conception sur l’effort des développeurs pour corriger les fautes est important afin d’aider les équipes de développement pour mieux évaluer et prévoir l’impact de leurs décisions de conception et donc canaliser leurs efforts pour améliorer la qualité de leurs systèmes. Les équipes de développement doivent contrôler et supprimer les défauts de conception de leurs systèmes car ils sont susceptibles d’augmenter les efforts de changement. La troisième contribution concerne la détection des défauts de conception. Pendant les activités de maintenance, il est important de disposer d’un outil capable de détecter les défauts de conception de façon incrémentale et itérative. Ce processus de détection incrémentale et itérative pourrait réduire les coûts, les efforts et les ressources en permettant aux praticiens d’identifier et de prendre en compte les occurrences de défauts de conception comme ils les trouvent lors de la compréhension et des changements. Les chercheurs ont proposé des approches pour détecter les occurrences de défauts de conception, mais ces approches ont actuellement quatre limites: (1) elles nécessitent une connaissance approfondie des défauts de conception, (2) elles ont une précision et un rappel limités, (3) elles ne sont pas itératives et incrémentales et (4) elles ne peuvent pas être appliquées sur des sous-ensembles de systèmes. Pour surmonter ces limitations, nous introduisons SMURF, une nouvelle approche pour détecter les défauts de conception, basé sur une technique d’apprentissage automatique — machines à vecteur de support — et prenant en compte les retours des praticiens. Grâce à une étude empirique portant sur trois systèmes et quatre défauts de conception, nous avons montré que la précision et le rappel de SMURF sont supérieurs à ceux de DETEX et BDTEX lors de la détection des occurrences de défauts de conception. Nous avons également montré que SMURF peut être appliqué à la fois dans les configurations intra-système et inter-système. Enfin, nous avons montré que la précision et le rappel de SMURF sont améliorés quand on prend en compte les retours des praticiens.

A new optimised De Bruijn coding strategy for structured light patterns

Coded structured light is an optical technique based on active stereovision that obtains the shape of objects. One shot techniques are based on projecting a unique light pattern with an LCD projector so that grabbing an image with a camera, a large number of correspondences can be obtained. Then, a 3D reconstruction of the illuminated object can be recovered by means of triangulation. The most used strategy to encode one-shot patterns is based on De Bruijn sequences. In This work a new way to design patterns using this type of sequences is presented. The new coding strategy minimises the number of required colours and maximises both the resolution and the accuracy

Software Design Guidelines for Usability

For years, the Human Computer Interaction (HCI) community has crafted usability guidelines that clearly define what characteristics a software system should have in order to be easy to use. However, in the Software Engineering (SE) community keep falling short of successfully incorporating these recommendations into software projects. From a SE perspective, the process of incorporating usability features into software is not always straightforward, as a large number of these features have heavy implications in the underlying software architecture. For example, successfully including an “undo” feature in an application requires the design and implementation of many complex interrelated data structures and functionalities. Our work is focused upon providing developers with a set of software design patterns to assist them in the process of designing more usable software. This would contribute to the proper inclusion of specific usability features with high impact on the software design. Preliminary validation data show that usage of the guidelines also has positive effects on development time and overall software design quality.

Programmed design of ship forms

This paper describes a new category of CAD applications devoted to the definition and parameterization of hull forms, called programmed design. Programmed design relies on two prerequisites. The first one is a product model with a variety of types large enough to face the modeling of any type of ship. The second one is a design language dedicated to create the product model. The main purpose of the language is to publish the modeling algorithms of the application in the designer knowledge domain to let the designer create parametric model scripts. The programmed design is an evolution of the parametric design but it is not just parametric design. It is a tool to create parametric design tools. It provides a methodology to extract the design knowledge by abstracting a design experience in order to store and reuse it. Programmed design is related with the organizational and architectural aspects of the CAD applications but not with the development of modeling algorithms. It is built on top and relies on existing algorithms provided by a comprehensive product model. Programmed design can be useful to develop new applications, to support the evolution of existing applications or even to integrate different types of application in a single one. A three-level software architecture is proposed to make the implementation of the programmed design easier. These levels are the conceptual level based on the design language, the mathematical level based on the geometric formulation of the product model and the visual level based on the polyhedral representation of the model as required by the graphic card. Finally, some scenarios of the use of programmed design are discussed. For instance, the development of specialized parametric hull form generators for a ship type or a family of ships or the creation of palettes of hull form components to be used as parametric design patterns. Also two new processes of reverse engineering which can considerably improve the application have been detected: the creation of the mathematical level from the visual level and the creation of the conceptual level from the mathematical level. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved. 1. Introduction

Model-based Self-awareness Patterns for Autonomy

Los sistemas técnicos son cada vez más complejos, incorporan funciones más avanzadas, están más integrados con otros sistemas y trabajan en entornos menos controlados. Todo esto supone unas condiciones más exigentes y con mayor incertidumbre para los sistemas de control, a los que además se demanda un comportamiento más autónomo y fiable. La adaptabilidad de manera autónoma es un reto para tecnologías de control actualmente. El proyecto de investigación ASys propone abordarlo trasladando la responsabilidad de la capacidad de adaptación del sistema de los ingenieros en tiempo de diseño al propio sistema en operación. Esta tesis pretende avanzar en la formulación y materialización técnica de los principios de ASys de cognición y auto-consciencia basadas en modelos y autogestión de los sistemas en tiempo de operación para una autonomía robusta. Para ello el trabajo se ha centrado en la capacidad de auto-conciencia, inspirada en los sistemas biológicos, y se ha explorado la posibilidad de integrarla en la arquitectura de los sistemas de control. Además de la auto-consciencia, se han explorado otros temas relevantes: modelado funcional, modelado de software, tecnología de los patrones, tecnología de componentes, tolerancia a fallos. Se ha analizado el estado de la técnica en los ámbitos pertinentes para las cuestiones de la auto-consciencia y la adaptabilidad en sistemas técnicos: arquitecturas cognitivas, control tolerante a fallos, y arquitecturas software dinámicas y computación autonómica. El marco teórico de ASys existente de sistemas autónomos cognitivos ha sido adaptado para servir de base para este análisis de autoconsciencia y adaptación y para dar sustento conceptual al posterior desarrollo de la solución. La tesis propone una solución general de diseño para la construcción de sistemas autónomos auto-conscientes. La idea central es la integración de un meta-controlador en la arquitectura de control del sistema autónomo, capaz de percibir la estado funcional del sistema de control y, si es necesario, reconfigurarlo en tiempo de operación. Esta solución de metacontrol se ha formalizado en cuatro patrones de diseño: i) el Patrón Metacontrol, que define la integración de un subsistema de metacontrol, responsable de controlar al propio sistema de control a través de la interfaz proporcionada por su plataforma de componentes, ii) el patrón Bucle de Control Epistémico, que define un bucle de control cognitivo basado en el modelos y que se puede aplicar al diseño del metacontrol, iii) el patrón de Reflexión basada en Modelo Profundo propone una solución para construir el modelo ejecutable utilizado por el meta-controlador mediante una transformación de modelo a modelo a partir del modelo de ingeniería del sistema, y, finalmente, iv) el Patrón Metacontrol Funcional, que estructura el meta-controlador en dos bucles, uno para el control de la configuración de los componentes del sistema de control, y otro sobre éste, controlando las funciones que realiza dicha configuración de componentes; de esta manera las consideraciones funcionales y estructurales se desacoplan. La Arquitectura OM y el metamodelo TOMASys son las piezas centrales del marco arquitectónico desarrollado para materializar la solución compuesta de los patrones anteriores. El metamodelo TOMASys ha sido desarrollado para la representación de la estructura y su relación con los requisitos funcionales de cualquier sistema autónomo. La Arquitectura OM es un patrón de referencia para la construcción de una metacontrolador integrando los patrones de diseño propuestos. Este meta-controlador se puede integrar en la arquitectura de cualquier sistema control basado en componentes. El elemento clave de su funcionamiento es un modelo TOMASys del sistema decontrol, que el meta-controlador usa para monitorizarlo y calcular las acciones de reconfiguración necesarias para adaptarlo a las circunstancias en cada momento. Un proceso de ingeniería, complementado con otros recursos, ha sido elaborado para guiar la aplicación del marco arquitectónico OM. Dicho Proceso de Ingeniería OM define la metodología a seguir para construir el subsistema de metacontrol para un sistema autónomo a partir del modelo funcional del mismo. La librería OMJava proporciona una implementación del meta-controlador OM que se puede integrar en el control de cualquier sistema autónomo, independientemente del dominio de la aplicación o de su tecnología de implementación. Para concluir, la solución completa ha sido validada con el desarrollo de un robot móvil autónomo que incorpora un meta-controlador con la Arquitectura OM. Las propiedades de auto-consciencia y adaptación proporcionadas por el meta-controlador han sido validadas en diferentes escenarios de operación del robot, en los que el sistema era capaz de sobreponerse a fallos en el sistema de control mediante reconfiguraciones orquestadas por el metacontrolador. ABSTRACT Technical systems are becoming more complex, they incorporate more advanced functionalities, they are more integrated with other systems and they are deployed in less controlled environments. All this supposes a more demanding and uncertain scenario for control systems, which are also required to be more autonomous and dependable. Autonomous adaptivity is a current challenge for extant control technologies. The ASys research project proposes to address it by moving the responsibility for adaptivity from the engineers at design time to the system at run-time. This thesis has intended to advance in the formulation and technical reification of ASys principles of model-based self-cognition and having systems self-handle at runtime for robust autonomy. For that it has focused on the biologically inspired capability of self-awareness, and explored the possibilities to embed it into the very architecture of control systems. Besides self-awareness, other themes related to the envisioned solution have been explored: functional modeling, software modeling, patterns technology, components technology, fault tolerance. The state of the art in fields relevant for the issues of self-awareness and adaptivity has been analysed: cognitive architectures, fault-tolerant control, and software architectural reflection and autonomic computing. The extant and evolving ASys Theoretical Framework for cognitive autonomous systems has been adapted to provide a basement for this selfhood-centred analysis and to conceptually support the subsequent development of our solution. The thesis proposes a general design solution for building self-aware autonomous systems. Its central idea is the integration of a metacontroller in the control architecture of the autonomous system, capable of perceiving the functional state of the control system and reconfiguring it if necessary at run-time. This metacontrol solution has been formalised into four design patterns: i) the Metacontrol Pattern, which defines the integration of a metacontrol subsystem, controlling the domain control system through an interface provided by its implementation component platform, ii) the Epistemic Control Loop pattern, which defines a modelbased cognitive control loop that can be applied to the design of such a metacontroller, iii) the Deep Model Reflection pattern proposes a solution to produce the online executable model used by the metacontroller by model-to-model transformation from the engineering model, and, finally, iv) the Functional Metacontrol pattern, which proposes to structure the metacontroller in two loops, one for controlling the configuration of components of the controller, and another one on top of the former, controlling the functions being realised by that configuration; this way the functional and structural concerns become decoupled. The OM Architecture and the TOMASys metamodel are the core pieces of the architectural framework developed to reify this patterned solution. The TOMASys metamodel has been developed for representing the structure and its relation to the functional requirements of any autonomous system. The OM architecture is a blueprint for building a metacontroller according to the patterns. This metacontroller can be integrated on top of any component-based control architecture. At the core of its operation lies a TOMASys model of the control system. An engineering process and accompanying assets have been constructed to complete and exploit the architectural framework. The OM Engineering Process defines the process to follow to develop the metacontrol subsystem from the functional model of the controller of the autonomous system. The OMJava library provides a domain and application-independent implementation of an OM Metacontroller than can be used in the implementation phase of OMEP. Finally, the complete solution has been validated in the development of an autonomous mobile robot that incorporates an OM metacontroller. The functional selfawareness and adaptivity properties achieved thanks to the metacontrol system have been validated in different scenarios. In these scenarios the robot was able to overcome failures in the control system thanks to reconfigurations performed by the metacontroller.

Architectural design in object-z

We present a process for introducing an object-oriented architecture into an abstract functional specification written in Object-Z. Since the design is derived from the specification, correctness concerns are addressed as pan of the design process. We base our approach on refactoring rules that apply to class structure, and use the rules to implement design patterns. As a motivating example, we introduce a user-interface design that follows the model-view-controller paradigm into an existing specification.