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Synchronization of Models on Different Abstraction Levels using Triple Graph Grammars

Anjorin, Anthony :
Synchronization of Models on Different Abstraction Levels using Triple Graph Grammars.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Synchronization of Models on Different Abstraction Levels using Triple Graph Grammars
Language: English
Abstract:

In modern, computer-aided engineering processes, restoring and maintaining the consistency of multiple, related artefacts is an important challenge. This is especially the case in multi-disciplinary domains such as manufacturing engineering, where complex systems are described using multiple artefacts that are concurrently manipulated by domain experts, each with their own established tools. Bidirectional languages address this challenge of consistency maintenance by supporting incremental change propagation with a clear and precise semantics. Triple Graph Grammars (TGGs) are a prominent rule-based and declarative bidirectional model transformation language with various implementations, and a solid formal foundation based on algebraic graph transformations. Although TGGs are well suited for synchronizing models that are already on an appropriate, high-level of abstraction, practical model synchronization chains typically require handling models on different levels of abstraction. This poses additional challenges including: (i) handling massive information loss typically incurred when abstracting from a low-level model to a high-level model, (ii) supporting complex attribute manipulation as low-level models are often simple trees extracted from textual or XML-files, with relevant information encoded in attribute values rather than structural relations, and (iii) enabling arbitrary structural constraints to cope with complex, often recursive structural context relations, which are usually not present as explicit links in low-level models.

This thesis addresses these challenges by: (1) Establishing a general framework for organizing and structuring model synchronization chains. This framework is applied to an industrial case study in the domain of manufacturing engineering, which is used consequently throughout this thesis to identify requirements, formulate corresponding challenges, and evaluate the contributions of this thesis. (2) Identifying and formalizing new language extensions for TGGs: attribute conditions for complex attribute manipulation in TGG rules, and dynamic conditions for integrating arbitrary structural constraints. To guarantee the maintainability of large TGG specifications, a new modularity concept for TGGs, rule refinement is also introduced. Similar to inheritance and composition for programming languages, rule refinement enables the reuse and flexible combination of TGG rule fragments to form similar TGG rules without introducing redundancy in specifications. (3) Extending an existing TGG-based synchronization algorithm to cover these new features with formal proofs of correctness and completeness (well-behavedness) of derived TGG-based synchronizers. (4) Providing formal construction techniques and static analyses for all properties and restrictions required to guarantee the well-behavedness of derived synchronizers.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In modernen, rechnergestützten Prozessen ist es wichtig, die Konsistenz relevanter Artefakte sicherzustellen. Dies ist vor allem in multi-disziplinären Domänen wie der Fertigungstechnik wichtig, in denen mehrere Ingenieure typischerweise gleichzeitig mit verschiedenen Werkzeugen auf diese Artefakte zugreifen. Bidirektionale Sprachen können durch eine gezielte Propagation inkrementeller Änderungen, die Konsistenz zwischen Artefakten sicherstellen. Tripelgraphgrammatiken (TGGen) sind eine bekannte, regelbasierte und deklarative bidirektionale Modelltransformationssprache mit mehreren Implementierungen und einem soliden, formalen Fundament auf Basis algebraischer Graphtransformationen. Obwohl TGGen gut geeignet sind, um Modelle auf gleicher, hoher Abstraktionsebene zu synchronisieren, ist es in praktischen Modellsynchronizierungsszenarien oft nötig, auch Modelle auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen zu synchronisieren. Dies stellt jedoch neue, zusätzliche Anforderungen an TGGen: (i) dem Informationsverlust, der durch den Abstraktionsprozess verursacht wird, muss sinnvoll begegnet werden, (ii) komplexe Attributmanipulation muss gut unterstützt sein, da aus textuellen oder XML-Dateien abgeleitete Modelle häufig Bäume sind, die relevante Informationen vorwiegend in Attributwerten statt in strukturellen Beziehungen kodieren und (iii) es muss möglich sein, flexible strukturelle Bedingungen zu formulieren, da komplexe, oft rekursive, strukturelle Kontextbeziehungen nicht explizit als direkte Verbindungen vorhanden sind. Diese Arbeit widmet sich diesen Herausforderungen: (1) Ein Framework für die Organisation und Strukturierung von Modelsynchro- nisierungsketten wird präsentiert und auf eine industrielle Fallstudie aus der Fertigungstechnik angewendet. Die gleiche Fallstudie wird durchgehend als Beispiel verwendet, um Anforderungen und Herausforderungen abzuleiten sowie die Beiträge dieser Arbeit zu evaluieren. (2) Folgende Spracherweiterungen für TGGen werden vorgeschlagen und formalisiert: Attributbedingungen für komplexe Attributmanipulation, sowie dynamische Bedingungen für die flexible Integration struktureller Einschränkungen. Um die Wartbarkeit großer TGG-Spezifikationen zu gewährleisten, wird Regelverfeinerung als neues Modularitätskonzept für TGGen eingeführt. Analog zu Vererbung und Komposition für Programmiersprachen, ermöglicht Regelverfeinerung die Wiederverwendbarkeit und flexible Kombination von TGG-Regelfragmenten. (3) Ein existierender Synchronisierungsalgorithmus wird um diese neuen Sprachelemente erweitert, mit formalen Beweisen der Korrektheit und Vollständigkeit abgeleiteter Synchronisierer. (4) Es werden formale Konstruktionsverfahren sowie statische Analysen entwickelt, mit denen alle geforderten Eigenschaften und Einschränkungen geprüft werden können.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > Real-Time Systems
Date Deposited: 20 Feb 2015 07:31
Last Modified: 20 Feb 2015 07:31
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43994
Referees: Schürr, Prof. Dr. Andy and Taentzer, Prof. Dr. Gabriele
Refereed: 19 December 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4399
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