An object-oriented design of a World Model for autonomous city vehicles

This paper presents an object-oriented world model for the road traffic environment of autonomous (driver-less) city vehicles. The developed World Model is a software component of the autonomous vehicle's control system, which represents the vehicle's view of its road environment. Regardless whether the information is a priori known, obtained through on-board sensors, or through communication, the World Model stores and updates information in real-time, notifies the decision making subsystem about relevant events, and provides access to its stored information. The design is based on software design patterns, and its application programming interface provides both asynchronous and synchronous access to its information. Experimental results of both a 3D simulation and real-world experiments show that the approach is applicable and real-time capable.

A design pattern approach to bitemporal data modeling

The importance of patterns in constructing complex systems has long been recognised in other disciplines. In software engineering, for example, well-crafted object-oriented architectures contain several design patterns. Focusing on mechanisms of constructing software during system development can yield an architecture that is simpler, clearer and more understandable than if design patterns were ignored or not properly applied. In this paper, we propose a model that uses object-oriented design patterns to develop a core bitemporal conceptual model. We define three core design patterns that form a core bitemporal conceptual model of a typical bitemporal object. Our framework is known as the Bitemporal Object, State and Event Modelling Approach (BOSEMA) and the resulting core model is known as a Bitemporal Object, State and Event (BOSE) model. Using this approach, we demonstrate that we can enrich data modelling by using well known design patterns which can help designers to build complex models of bitemporal databases.

Autonomic management of non-functional concerns in distributed & parallel application programming

An approach to the management of non-functional concerns in massively parallel and/or distributed architectures that marries parallel programming patterns with autonomic computing is presented. The necessity and suitability of the adoption of autonomic techniques are evidenced. Issues arising in the implementation of autonomic managers taking care of multiple concerns and of coordination among hierarchies of such autonomic managers are discussed. Experimental results are presented that demonstrate the feasibility of the approach.

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.

Designing a high performance parallel logic programming system

Compilation techniques such as those portrayed by the Warren Abstract Machine(WAM) have greatly improved the speed of execution of logic programs. The research presented herein is geared towards providing additional performance to logic programs through the use of parallelism, while preserving the conventional semantics of logic languages. Two áreas to which special attention is given are the preservation of sequential performance and storage efficiency, and the use of low overhead mechanisms for controlling parallel execution. Accordingly, the techniques used for supporting parallelism are efficient extensions of those which have brought high inferencing speeds to sequential implementations. At a lower level, special attention is also given to design and simulation detail and to the architectural implications of the execution model behavior. This paper offers an overview of the basic concepts and techniques used in the parallel design, simulation tools used, and some of the results obtained to date.

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.

A rigorous foundation for pattern based design models

This paper presents a way to describe design patterns rigorously based on role concepts. Rigorous pattern descriptions are a key aspect for patterns to be used as rules for model evolution in the MDA context, for example. We formalize the role concepts commonly used in defining design patterns as a role metamodel using Object-Z. Given this role metamodel, individual design patterns are specified generically as a formal pattern role model using Object-Z. We also formalize the properties that must be captured in a class model when a design pattern is deployed. These properties are defined generically in terms of role bindings from a pattern role model to a class model. Our work provides a precise but abstract approach for pattern definition and also provides a precise basis for checking the validity of pattern usage in designs.

Towards pattern-based design recovery

A method and a corresponding tool is described which assist design recovery and program understanding by recognising instances of design patterns semi-automatically. The approach taken is specifically designed to overcome the existing scalability problems caused by many design and implementation variants of design pattern instances. Our approach is based on a new recognition algorithm which works incrementally rather than trying to analyse a possibly large software system in one pass without any human intervention. The new algorithm exploits domain and context knowledge given by a reverse engineer and by a special underlying data structure, namely a special form of an annotated abstract syntax graph. A comparative and quantitative evaluation of applying the approach to the Java AWT and JGL libraries is also given.

A flexible, extensible object oriented real-time near photorealistic visualization system:the system framework design

In this paper we describe a novel, extensible visualization system currently under development at Aston University. We introduce modern programming methods, such as the use of data driven programming, design patterns, and the careful definition of interfaces to allow easy extension using plug-ins, to 3D landscape visualization software. We combine this with modern developments in computer graphics, such as vertex and fragment shaders, to create an extremely flexible, extensible real-time near photorealistic visualization system. In this paper we show the design of the system and the main sub-components. We stress the role of modern programming practices and illustrate the benefits these bring to 3D visualization. © 2006 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.