Μηχανισμοί αυτοματοποίησης διαδικασιών σχεδίασης, υλοποίησης και ανάπτυξης λογισμικού κυβερνοφυσικών συστημάτων με τεχνικές μηχανικής λογισμικού οδηγούμενης από μοντέλα

Abstract

As is well-known, the fields of robotics and Cyber-Physical Systems (CPS) demand expertise in a wide range of areas including hardware, software, systems, and machine learning algorithms, among others. This complexity creates a challenging and time-consuming process for controlling robots or other devices, even for those experienced in these fields. On the other hand, the rapid advancement in robotics, the Internet of Things (IoT), and modern CPS has led to the creation of various technologies and tools that aid the development of systems and applications in recent years. The high heterogeneity observed in these systems is primarily due to the interconnection of the physical and digital worlds, as well as the numerous available technologies and tools for design, development, and deployment. Examples of contemporary CPS include smart homes, smart infrastructure, and digital twins. These systems are composed of physical devices that interact with the natural environment through managed sensors and actuators, as well as digital entities responsible for interfacing, processing, monitoring, control, and orchestration at both the system and application levels. This PhD thesis addresses the challenge of meta-modeling the design, implementation, and deployment phases of Cyber-Physical Systems. The study explores model-driven software engineering techniques to establish a methodology and related Domain Specific Languages (DSLs) for automating the aforementioned phases. The primary goal of this thesis is to systematize the development processes of current CPS and applications using high-level tools, middleware, and domain-specific languages. The thesis concentrates on open hardware/open software devices and intends to simplify application development for non-experts in the field (citizen developers) by utilizing the meta-models and languages outlined in the thesis.

Ως γνωστόν, οι επιστήμες της ρομποτικής και των Κυβερνοφυσικών Συστημάτων (ΚΦΣ) καλύπτουν/απαιτούν ένα ευρύ φάσμα γνώσεων στα πεδία του υλικού, του λογισμικού, των συστημάτων, των αλγορίθμων μηχανικής μάθησης κ.α., καθιστώντας τον έλεγχο ενός ρομπότ, ή μίας συσκευής, μία χρονοβόρα και δύσκολη διαδικασία, ακόμη και για κάποιον εξοικειωμένο με τους συγκεκριμένους τομείς. Από την άλλη, η ραγδαία εξέλιξη στους κλάδους της ρομποτικής, του διαδικτύου των πραγμάτων (IoT) και των σύγχρονων ΚΦΣ, έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη διάφορων τεχνολογιών και εργαλείων υποστήριξης της ανάπτυξης συστημάτων και εφαρμογών τα τελευταία χρόνια. Η υψηλή ετερογένεια που συναντάμε στα συστήματα αυτά, βασίζεται κυρίως στην διασύνδεση του φυσικού και του ψηφιακού κόσμου, αλλά και στην πληθώρα των διαθέσιμων τεχνολογιών και εργαλείων σχεδίασης, ανάπτυξης και εγκατάστασης. Παραδείγματα σύγχρονων ΚΦΣ είναι τα έξυπνα σπίτια και οι έξυπνες υποδομές γενικότερα, καθώς και τα ψηφιακά δίδυμα. Τα συστήματα αυτά αποτελούνται από φυσικές συσκευές, οι οποίες αλληλεπιδρούν με το φυσικό περιβάλλον μέσω των αισθητήρων και ενεργοποιητών που διαχειρίζονται, καθώς και από ψηφιακές οντότητες, οι οποίες είναι υπεύθυνες για την διασύνδεση, την επεξεργασία, την παρακολούθηση, τον έλεγχο και την ενορχήστρωση σε επίπεδο συστήματος και εφαρμογής. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στο πρόβλημα της μέτα-μοντε-λοποίησης των φάσεων σχεδίασης (design), υλοποίησης (implementation) και ανάπτυξης (deployment) Κυβερνοφυσικών Συστημάτων (ΚΦΣ). Συγκεκριμένα, στα πλαίσια της διατριβής μελετήθηκαν και εφαρμόστηκαν τεχνικές μηχανικής λογισμικού οδηγούμενης από μοντέλα για την ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας και αντίστοιχων Γλωσσών Ειδικού Πεδίου (Domain Specific Languages - DSLs) για την αυτοματοποίηση των προαναφερθεισών φάσεων. Βασικός στόχος της διατριβής είναι η συστηματοποίηση των διαδικασιών ανάπτυξης σύγχρονων συστημάτων και εφαρμογών ΚΦΣ, με χρήση υψηλού επιπέδου εργαλείων, μεσολογισμικού και γλωσσών ειδικού πεδίου. Η διατριβή εστιάζει σε συσκευές ανοικτού υλικού και λογισμικού (open hardware/open software), ενώ στοχεύει να διευκολύνει την ανάπτυξη εφαρμογών από μη ειδικούς του πεδίου (citizen developers) μέσω της χρήσης των μέτα-μοντέλων και των γλωσσών που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής.