Evaluating Design Decay during Software Evolution

Les logiciels sont en constante évolution, nécessitant une maintenance et un développement continus. Ils subissent des changements tout au long de leur vie, que ce soit pendant l'ajout de nouvelles fonctionnalités ou la correction de bogues dans le code. Lorsque ces logiciels évoluent, leurs architectures ont tendance à se dégrader avec le temps et deviennent moins adaptables aux nouvelles spécifications des utilisateurs. Elles deviennent plus complexes et plus difficiles à maintenir. Dans certains cas, les développeurs préfèrent refaire la conception de ces architectures à partir du zéro plutôt que de prolonger la durée de leurs vies, ce qui engendre une augmentation importante des coûts de développement et de maintenance. Par conséquent, les développeurs doivent comprendre les facteurs qui conduisent à la dégradation des architectures, pour prendre des mesures proactives qui facilitent les futurs changements et ralentissent leur dégradation. La dégradation des architectures se produit lorsque des développeurs qui ne comprennent pas la conception originale du logiciel apportent des changements au logiciel. D'une part, faire des changements sans comprendre leurs impacts peut conduire à l'introduction de bogues et à la retraite prématurée du logiciel. D'autre part, les développeurs qui manquent de connaissances et–ou d'expérience dans la résolution d'un problème de conception peuvent introduire des défauts de conception. Ces défauts ont pour conséquence de rendre les logiciels plus difficiles à maintenir et évoluer. Par conséquent, les développeurs ont besoin de mécanismes pour comprendre l'impact d'un changement sur le reste du logiciel et d'outils pour détecter les défauts de conception afin de les corriger. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons trois principales contributions. La première contribution concerne l'évaluation de la dégradation des architectures logicielles. Cette évaluation consiste à utiliser une technique d’appariement de diagrammes, tels que les diagrammes de classes, pour identifier les changements structurels entre plusieurs versions d'une architecture logicielle. Cette étape nécessite l'identification des renommages de classes. Par conséquent, la première étape de notre approche consiste à identifier les renommages de classes durant l'évolution de l'architecture logicielle. Ensuite, la deuxième étape consiste à faire l'appariement de plusieurs versions d'une architecture pour identifier ses parties stables et celles qui sont en dégradation. Nous proposons des algorithmes de bit-vecteur et de clustering pour analyser la correspondance entre plusieurs versions d'une architecture. La troisième étape consiste à mesurer la dégradation de l'architecture durant l'évolution du logiciel. Nous proposons un ensemble de m´etriques sur les parties stables du logiciel, pour évaluer cette dégradation. La deuxième contribution est liée à l'analyse de l'impact des changements dans un logiciel. Dans ce contexte, nous présentons une nouvelle métaphore inspirée de la séismologie pour identifier l'impact des changements. Notre approche considère un changement à une classe comme un tremblement de terre qui se propage dans le logiciel à travers une longue chaîne de classes intermédiaires. Notre approche combine l'analyse de dépendances structurelles des classes et l'analyse de leur historique (les relations de co-changement) afin de mesurer l'ampleur de la propagation du changement dans le logiciel, i.e., comment un changement se propage à partir de la classe modifiée è d'autres classes du logiciel. La troisième contribution concerne la détection des défauts de conception. Nous proposons une métaphore inspirée du système immunitaire naturel. Comme toute créature vivante, la conception de systèmes est exposée aux maladies, qui sont des défauts de conception. Les approches de détection sont des mécanismes de défense pour les conception des systèmes. Un système immunitaire naturel peut détecter des pathogènes similaires avec une bonne précision. Cette bonne précision a inspiré une famille d'algorithmes de classification, appelés systèmes immunitaires artificiels (AIS), que nous utilisions pour détecter les défauts de conception. Les différentes contributions ont été évaluées sur des logiciels libres orientés objets et les résultats obtenus nous permettent de formuler les conclusions suivantes: • Les métriques Tunnel Triplets Metric (TTM) et Common Triplets Metric (CTM), fournissent aux développeurs de bons indices sur la dégradation de l'architecture. La d´ecroissance de TTM indique que la conception originale de l'architecture s’est dégradée. La stabilité de TTM indique la stabilité de la conception originale, ce qui signifie que le système est adapté aux nouvelles spécifications des utilisateurs. • La séismologie est une métaphore intéressante pour l'analyse de l'impact des changements. En effet, les changements se propagent dans les systèmes comme les tremblements de terre. L'impact d'un changement est plus important autour de la classe qui change et diminue progressivement avec la distance à cette classe. Notre approche aide les développeurs à identifier l'impact d'un changement. • Le système immunitaire est une métaphore intéressante pour la détection des défauts de conception. Les résultats des expériences ont montré que la précision et le rappel de notre approche sont comparables ou supérieurs à ceux des approches existantes.

Formulation interactive des requêtes pour l’analyse et la compréhension du code source

Nous proposons une approche basée sur la formulation interactive des requêtes. Notre approche sert à faciliter des tâches d’analyse et de compréhension du code source. Dans cette approche, l’analyste utilise un ensemble de filtres de base (linguistique, structurel, quantitatif, et filtre d’interactivité) pour définir des requêtes complexes. Ces requêtes sont construites à l’aide d’un processus interactif et itératif, où des filtres de base sont choisis et exécutés, et leurs résultats sont visualisés, changés et combinés en utilisant des opérateurs prédéfinis. Nous avons évalués notre approche par l’implantation des récentes contributions en détection de défauts de conception ainsi que la localisation de fonctionnalités dans le code. Nos résultats montrent que, en plus d’être générique, notre approche aide à la mise en œuvre des solutions existantes implémentées par des outils automatiques.

Transformation by example

La transformation de modèles consiste à transformer un modèle source en un modèle cible conformément à des méta-modèles source et cible. Nous distinguons deux types de transformations. La première est exogène où les méta-modèles source et cible représentent des formalismes différents et où tous les éléments du modèle source sont transformés. Quand elle concerne un même formalisme, la transformation est endogène. Ce type de transformation nécessite généralement deux étapes : l’identification des éléments du modèle source à transformer, puis la transformation de ces éléments. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons trois principales contributions liées à ces problèmes de transformation. La première contribution est l’automatisation des transformations des modèles. Nous proposons de considérer le problème de transformation comme un problème d'optimisation combinatoire où un modèle cible peut être automatiquement généré à partir d'un nombre réduit d'exemples de transformations. Cette première contribution peut être appliquée aux transformations exogènes ou endogènes (après la détection des éléments à transformer). La deuxième contribution est liée à la transformation endogène où les éléments à transformer du modèle source doivent être détectés. Nous proposons une approche pour la détection des défauts de conception comme étape préalable au refactoring. Cette approche est inspirée du principe de la détection des virus par le système immunitaire humain, appelée sélection négative. L’idée consiste à utiliser de bonnes pratiques d’implémentation pour détecter les parties du code à risque. La troisième contribution vise à tester un mécanisme de transformation en utilisant une fonction oracle pour détecter les erreurs. Nous avons adapté le mécanisme de sélection négative qui consiste à considérer comme une erreur toute déviation entre les traces de transformation à évaluer et une base d’exemples contenant des traces de transformation de bonne qualité. La fonction oracle calcule cette dissimilarité et les erreurs sont ordonnées selon ce score. Les différentes contributions ont été évaluées sur d’importants projets et les résultats obtenus montrent leurs efficacités.

Analysing artefacts dependencies to evolving software systems

Les logiciels sont en constante évolution, nécessitant une maintenance et un développement continus. Ils subissent des changements tout au long de leur vie, que ce soit pendant l'ajout de nouvelles fonctionnalités ou la correction de bogues. Lorsque les logiciels évoluent, leurs architectures ont tendance à se dégrader et deviennent moins adaptables aux nouvelles spécifications des utilisateurs. En effet, les architectures de ces logiciels deviennent plus complexes et plus difficiles à maintenir à cause des nombreuses dépendances entre les artefacts. Par conséquent, les développeurs doivent comprendre les dépendances entre les artefacts des logiciels pour prendre des mesures proactives qui facilitent les futurs changements et ralentissent la dégradation des architectures des logiciels. D'une part, le maintien d'un logiciel sans la compréhension des les dépendances entre ses artefacts peut conduire à l'introduction de défauts. D'autre part, lorsque les développeurs manquent de connaissances sur l'impact de leurs activités de maintenance, ils peuvent introduire des défauts de conception, qui ont un impact négatif sur l'évolution du logiciel. Ainsi, les développeurs ont besoin de mécanismes pour comprendre comment le changement d'un artefact impacte le reste du logiciel. Dans cette thèse, nous proposons trois contributions principales : La spécification de deux nouveaux patrons de changement et leurs utilisations pour fournir aux développeurs des informations utiles concernant les dépendances de co-changement. La spécification de la relation entre les patrons d'évolutions des artefacts et les fautes. La découverte de la relation entre les dépendances des anti-patrons et la prédisposition des différentes composantes d'un logiciel aux fautes.

Génération automatique de configurations et de scénarios d'utilisation d'outils de visualisation à partir de spécifications de tâches d'analyse de logiciels

Nous proposons une approche qui génère des scénarios de visualisation à partir des descriptions de tâches d'analyse de code. La dérivation de scénario est considérée comme un processus d'optimisation. Dans ce contexte, nous évaluons différentes possibilités d'utilisation d'un outil de visualisation donnée pour effectuer la tâche d'analyse, et sélectionnons le scénario qui nécessite le moins d'effort d'analyste. Notre approche a été appliquée avec succès à diverses tâches d'analyse telles que la détection des défauts de conception.

Durability assessment of polymer trileaflet heart valves

The durability of a polymer trileaflet valve is dependent on leaflet stress concentrations, so valve designs that reduce stress can, hypothetically, increase durability. Design aspects that are believed to contribute to reduced leaflet stress include stent flexibility, parabolic coaptation curvature, and leaflet anisotropy. With this in mind, the purpose of this investigation was to elucidate what specific combinations of these parameters promote optimal acute and long-term valve function. A combination of four stent designs, seven leaflet reinforcement materials, and three coaptation geometries were evaluated through a combination of experimentation and modeling. Static tensile and Poisson’s ratio tests and dynamic tensile fatigue testing were used to evaluate the individual leaflet components; and hydrodynamic testing and accelerated valve fatigue was used to assess complete valve prototypes. The two most successful designs included a 0.40 mm thick knit-reinforced valve with a fatigue life of 10.35 years, and a 0.20 mm thick knit-reinforced valve with a 28.9 mmHg decrease in pressure drop over the former. A finite element model was incorporated to verify the impact of the above-mentioned parameters on leaflet stress concentrations. Leaflet anisotropy had a large impact on stress concentrations, and matching the circumferential modulus to that of the natural valve showed the greatest benefit. Varying the radial modulus had minimal impact. Varying coaptation geometry had no impact, but stent flexibility did have a marked effect on the stress at the top of the commissure, where a completely rigid stent resulted in a higher peak stress than a flexible stent (E = 385 MPa). In conclusion, stent flexibility and leaflet anisotropy do effect stress concentrations in the SIBS trileaflet valve, but coaptation geometry does not. Regions of high stress concentrations were linked to failure locations in vitro, so a fatigue prediction model was developed from the S/N curves generated during dynamic tensile testing of the 0.20 mm knit-reinforced leaflets. Failure was predicted at approximately 400 million cycles (10 years) at the top of the commissure. In vitro fatigue of this valve showed failure initiation after approximately 167 million cycles (4.18 years), but it was related to a design defect that is subsequently being changed.

Durability Assessment of Polymer Trileaflet Heart Valves

The durability of a polymer trileaflet valve is dependent on leaflet stress concentrations, so valve designs that reduce stress can, hypothetically, increase durability. Design aspects that are believed to contribute to reduced leaflet stress include stent flexibility, parabolic coaptation curvature, and leaflet anisotropy. With this in mind, the purpose of this investigation was to elucidate what specific combinations of these parameters promote optimal acute and long-term valve function. A combination of four stent designs, seven leaflet reinforcement materials, and three coaptation geometries were evaluated through a combination of experimentation and modeling. Static tensile and Poisson’s ratio tests and dynamic tensile fatigue testing were used to evaluate the individual leaflet components; and hydrodynamic testing and accelerated valve fatigue was used to assess complete valve prototypes. The two most successful designs included a 0.40 mm thick knit-reinforced valve with a fatigue life of 10.35 years, and a 0.20 mm thick knit-reinforced valve with a 28.9 mmHg decrease in pressure drop over the former. A finite element model was incorporated to verify the impact of the above-mentioned parameters on leaflet stress concentrations. Leaflet anisotropy had a large impact on stress concentrations, and matching the circumferential modulus to that of the natural valve showed the greatest benefit. Varying the radial modulus had minimal impact. Varying coaptation geometry had no impact, but stent flexibility did have a marked effect on the stress at the top of the commissure, where a completely rigid stent resulted in a higher peak stress than a flexible stent (E = 385 MPa). In conclusion, stent flexibility and leaflet anisotropy do effect stress concentrations in the SIBS trileaflet valve, but coaptation geometry does not. Regions of high stress concentrations were linked to failure locations in vitro, so a fatigue prediction model was developed from the S/N curves generated during dynamic tensile testing of the 0.20 mm knit-reinforced leaflets. Failure was predicted at approximately 400 million cycles (10 years) at the top of the commissure. In vitro fatigue of this valve showed failure initiation after approximately 167 million cycles (4.18 years), but it was related to a design defect that is subsequently being changed.

Design and implementation of a non-destructive defect detection technique based on UWB-SAR imaging

In the last twenty years aerospace and automotive industries started working widely with composite materials, which are not easy to test using classic Non-Destructive Inspection (NDI) techniques. Pairwise, the development of safety regulations sets higher and higher standards for the qualification and certification of those materials. In this thesis a new concept of a Non-Destructive defect detection technique is proposed, based on Ultrawide-Band (UWB) Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging. Similar SAR methods are yet applied either in minefield [22] and head stroke [14] detection. Moreover feasibility studies have already demonstrated the validity of defect detection by means of UWB radars [12, 13]. The system was designed using a cheap commercial off-the-shelf radar device by Novelda and several tests of the developed system have been performed both on metallic specimen (aluminum plate) and on composite coupon (carbon fiber). The obtained results confirm the feasibility of the method and highlight the good performance of the developed system considered the radar resolution. In particular, the system is capable of discerning healthy coupons from damaged ones, and correctly reconstruct the reflectivity image of the tested defects, namely a 8 x 8 mm square bulge and a 5 mm drilled holes on metal specimen and a 5 mm drilled hole on composite coupon.

Construction defect reporting using mobile and digital workbench technologies

Sending data between the construction site and an off-site design office is one of the more problematic areas in information technology for construction automation, particularly for construction defect management. The aim of this research is to investigate how mobile computing and new forms of human-computer interaction can be brought to bear on specific problems in construction management. The construction defect reporting system is one such application. Combining mobile and wireless computing technologies with a digital workbench, we have developed a system to facilitate remote telecollaboration between a construction site and an off-site engineering office. The application reported in this paper demonstrates how construction defect reporting can be streamlined by field collection of construction defect information using a mobile device and visualising the defect in a CAD model on a digital workbench in an engineering office. This paper reports on the design of the system and our tests of sending images from the construction site to the engineer’s office and positional accuracy of GPS for localization of the defect.

Developing a hybrid expert system program to aid in the design of plastic injection molding process

Experts in injection molding often refer to previous solutions to find a mold design similar to the current mold and use previous successful molding process parameters with intuitive adjustment and modification as a start for the new molding application. This approach saves a substantial amount of time and cost in experimental based corrective actions which are required in order to reach optimum molding conditions. A Case-Based Reasoning (CBR) System can perform the same task by retrieving a similar case which is applied to the new case from the case library and uses the modification rules to adapt a solution to the new case. Therefore, a CBR System can simulate human e~pertise in injection molding process design. This research is aimed at developing an interactive Hybrid Expert System to reduce expert dependency needed on the production floor. The Hybrid Expert System (HES) is comprised of CBR, flow analysis, post-processor and trouble shooting systems. The HES can provide the first set of operating parameters in order to achieve moldability condition and producing moldings free of stress cracks and warpage. In this work C++ programming language is used to implement the expert system. The Case-Based Reasoning sub-system is constructed to derive the optimum magnitude of process parameters in the cavity. Toward this end the Flow Analysis sub-system is employed to calculate the pressure drop and temperature difference in the feed system to determine the required magnitude of parameters at the nozzle. The Post-Processor is implemented to convert the molding parameters to machine setting parameters. The parameters designed by HES are implemented using the injection molding machine. In the presence of any molding defect, a trouble shooting subsystem can determine which combination of process parameters must be changed iii during the process to deal with possible variations. Constraints in relation to the application of this HES are as follows. - flow length (L) constraint: 40 mm < L < I 00 mm, - flow thickness (Th) constraint: -flow type: - material types: I mm < Th < 4 mm, unidirectional flow, High Impact Polystyrene (HIPS) and Acrylic. In order to test the HES, experiments were conducted and satisfactory results were obtained.

Electronic functionality in graphene-based nanoarchitectures : discovery and design via first-principles modeling

Graphene has promised many novel applications in nanoscale electronics and sustainable energy due to its novel electronic properties. Computational exploration of electronic functionality and how it varies with architecture and doping presently runs ahead of experimental synthesis yet provides insights into types of structures that may prove profitable for targeted experimental synthesis and characterization. We present here a summary of our understanding on the important aspects of dimension, band gap, defect, and interfacial engineering of graphene based on state-of-the-art ab initio approaches. Some most recent experimental achievements relevant for future theoretical exploration are also covered.

Design, characterisation and in vivo testing of a new, adjustable stiffness, external fixator for the rat femur

Very little is known about the infl uence of the mechanical environment on the healing of large segmental defects. This partly reflects the lack of standardised, well characterised technologies to enable such studies. Here we report the design, construction and characterisation of a novel external fixator for use in conjunction with rat femoral defects. This device not only imposes a predetermined axial stiffness on the lesion, but also enables the stiffness to be changed during the healing process. The main frame of the fi xator consists of polyethylethylketone with titanium alloy mounting pins. The stiffness of the fi xator is determined by interchangeable connection elements of different thicknesses. Fixators were shown to stabilise 5 mm femoral defects in rats in vivo for at least 8 weeks during unrestricted cage activity. No distortion or infections, including pin infections, were noted. The healing process was simulated in vitro by inserting into a 5 mm femoral defect, materials whose Young’s moduli approximated those of the different tissues present in regenerating bone. These studies confirmed that, although the external fixator is the major determinant of axial stiffness during the early phase of healing, the regenerate within the lesion subsequently dominates this property. There is much clinical interest in altering the mechanics of the defect to enhance bone healing. Our data suggest that, if alteration of the mechanical environment is to be used to modulate the healing of large segmental defects, this needs to be performed before the tissue properties become dominant.

Reducing bubble defect on the outsole production process in the footwear manufacturing industry

The purpose of this study is to discover the significant factors causing the bubble defect on the outsoles manufactured by the Case Company. The bubble defect occurs approximately 1.5 per cent of the time or in 36 pairs per day. To understand this problem, experimental studies are undertaken to identify various factors such as injector temperature, mould temperature; that affects the production of waste. The work presented in this paper comprises a review of the relevant literature on the Six Sigma DMAIC improvement process, quality control tools, and the design of the experiments. After the experimentation following the Six Sigma process, the results showed that the defect occurred in approximately 0.5 per cent of the products or in 12 pairs per day; this decreased the production cost from 6,120 AUD per month to 2,040 AUD per month. This research aimed to reduce the amount of waste in men’s flat outsoles. Hence, the outcome of research presented in this paper should be used as a guide for applying the appropriate process for each type of outsole.

Adjustable stiffness, external fixator for the rat femur osteotomy and segmental bone defect models

The mechanical environment around the healing of broken bone is very important as it determines the way the fracture will heal. Over the past decade there has been great clinical interest in improving bone healing by altering the mechanical environment through the fixation stability around the lesion. One constraint of preclinical animal research in this area is the lack of experimental control over the local mechanical environment within a large segmental defect as well as osteotomies as they heal. In this paper we report on the design and use of an external fixator to study the healing of large segmental bone defects or osteotomies. This device not only allows for controlled axial stiffness on the bone lesion as it heals, but it also enables the change of stiffness during the healing process in vivo. The conducted experiments have shown that the fixators were able to maintain a 5 mm femoral defect gap in rats in vivo during unrestricted cage activity for at least 8 weeks. Likewise, we observed no distortion or infections, including pin infections during the entire healing period. These results demonstrate that our newly developed external fixator was able to achieve reproducible and standardized stabilization, and the alteration of the mechanical environment of in vivo rat large bone defects and various size osteotomies. This confirms that the external fixation device is well suited for preclinical research investigations using a rat model in the field of bone regeneration and repair.

Chromium-manganese iron alloy system design cast in metal and sand moulds for erosion resistance: a positron lifetime study

Erosion characteristics of high chromium (Cr, 16-19%) alloy cast iron with 5% and 10% manganese (Mn) prepared in metal and sand moulds through induction melting are investigated using jet erosion test setup in both as-cast and heat-treated conditions. The samples were characterised for hardness and microstructural properties. A new and novel non-destructive evaluation technique namely positron lifetime spectroscopy has also been used for the first time to characterise the microstructure of the material in terms of defects and their concentration. We found that the hardness decreases irrespective of the sample condition when the mould type is changed from metal to sand, On the other hand, the erosion volume loss shows an increasing trend. Since the macroscopic properties have a bearing on the microstructure, good credence is obtained from the microstructural features as seen from light and scanning electron micrographs. Faster cooling in the metal mould yielded fine carbide precipitation on the surface. The defect size and their concentration derived from positron method are higher for sand mould compared to metal mould. Lower erosion loss corresponds to smaller size defects in metal mould are the results of quicker heat transfer in the metal mould compared to the sand mould. Heat treatment effects are clearly seen as the reduced concentration of defects and spherodisation of carbides points to this. The erosion loss with respect to the defects size and concentration correlate very well.