Ohjausjärjestelmän Systems Modeling Language -pohjainen ohjelmistokehitys

Abstract

Työssä on tutkittu, miten yleiskäyttöisen graafisen Systems Modeling Language (SysML) -mallinnuskielen käytöllä on mahdollista parantaa ohjausjärjestelmien ohjelmistokehitysprosessia. Työssä lähdetään siitä, että SysML-mallinnus tukee ohjelmistoa sen koko elinkaaren ajan. SysML-mallinnuskieli on metamallipohjainen noudattaen standardoitua malliperustaista arkkitehtuuria, mikä mahdollistaa mallimuunnosten hyödyntämisen ohjelmistokehitysprosessin tuotosten yhtenevyyden edistämiseksi. Ohjausjärjestelmissä käytetyille logiikkakielille on kuitenkin vähän valmiita mallimuunnostoteutuksia.

SysML-mallinnuskielessä on yhdeksän kaaviotyyppiä, joista seitsemän käytön havaittiin olevan ohjausjärjestelmien mallinnuksen kannalta oleellista. Tämän lisäksi SysML-mallinnuskielessä on muokattavissa olevia taulukko- ja matriisimuotoisia kuvaustekniikoita, jotka soveltuvat esimerkiksi jäljitettävyyden osoittamiseen. Työssä esitetty mallinnusmenetelmä edellyttää, että joitakin SysML-mallinnuskielen mallielementtejä laajennetaan SysML-mallinnuskielen profiilimekanismilla.

Työssä kehitetyssä mallinnusmenetelmässä toiminnalliset vaatimukset mallinnetaan käyttötapauskuvausten tarkentamissa käyttötapauskaavioissa ja ei-toiminnalliset vaatimukset vaatimuskaavioissa. Järjestelmän suunnittelu suoritetaan kelpuutettuihin vaatimuksiin pohjautuen ja mallielementtien uudelleenkäyttöä korostaen. SysMLmallinnuskieli mahdollistaa sekä ohjelmiston että laitteiston rakenne-elementtien määrittelyn lohkojen määrittelykaavioissa ja rakenteen kuvaamisen sisäisissä lohkokaavioissa. Tällainen lähestymistapa soveltuu etenkin IEC 61131-3 -ohjelmointikielien käsitteiden kuvaamiseen. Toiminnan määrittävä käyttäytyminen kuvataan aktiviteetti-, tila- ja sekvenssikaavioita yhdistelemällä tarpeen mukaan.

SysML-mallinnuksen hyödyt on mahdollista saada parhaimmin esille, kun ohjelmistokehitysprosessi sovitetaan tukemaan mallinnusmenetelmän tarpeita. Tämän vuoksi työssä kehitettiin SysML-mallinnukseen vahvasti tukeutuva tavoitekehitysprosessi nostureiden ohjausjärjestelmien ohjelmistokehitykseen. Tavoitekehitysprosessissa keskeistä on SysML-mallinnuksen painotus määrittelyssä, suunnittelussa ja laadunvarmistuksessa, iteratiivisuuden ja inkrementaalisuuden huomioiminen, uudelleenkäytettävyyden korostaminen, skaalautuvuus erityyppisille inkrementeille sekä käytännönläheisyys. Keskeisiä mallinnusta valmistelevia toimia ovat mallinnustyökalun valinta ja laajennusten, ohjeistuksen, mallimuunnosten sekä mallinnusta tukevien kirjastojen toteuttaminen. /Kir11

It has been studied in the thesis how the use of a general-purpose graphical Systems Modeling Language (SysML) could improve the software development process of control systems. The starting point for this study is that the SysML modeling supports the software during its whole life cycle. SysML is metamodel-based and complies with the standardized Model Driven Architecture which makes utilizing of model transformations possible to promote the conformity of the outputs of software development process. However, there are few ready implementations for model transformations to the IEC 61131-3 programming languages that have been used in control systems.

SysML has nine diagram types. The use of seven of them perceived to be essential for the modeling of control systems. In addition SysML has modifiable tabular and matrix notations that are suitable for indicating traceability, for example. The modeling method presented in this thesis requires that some model elements of SysML are extended with the profiling mechanism of SysML.

In the modeling method developed in this thesis, functional requirements are modeled in Use Case Diagrams. The details in Use Case Diagrams are further defined by use case descriptions. Non-functional requirements are modeled in Requirement Diagrams. The design of control systems is based on validated requirements and emphasizes reuse of model elements. SysML makes it possible to define structural elements of both the software and hardware in Block Definition Diagrams and the use of those elements in Internal Block Diagrams. This kind of an approach is suitable especially for describing the concepts of IEC 61131-3 programming languages. The behavior that determines functionality is described by combining Activity Diagrams, State Machine Diagrams and Sequence Diagrams when necessary.

The best benefits of SysML modeling are gained when the software development process is fitted to support the needs of the modeling method. Because of this a SysML based target development process for the software development of crane control systems was developed in the thesis. Key objectives in the target development process are the use of SysML in specification, design and quality assurance phases, assimilation of iterative and incremental principles, emphasis on reuse, scalability for different types of increments and practicality. Key actions in preparing the modeling method are the choice of a modeling tool and the implementation of needed extensions, instructions, model transformations and supporting libraries.