自适应系统软件体系结构的关键技术研究

论文摘要

目前,随着计算的网络化、移动化和多样化,软件系统的规模越来越大、结构越来越复杂、管理和维护越来越难、对环境变化和突发事件适应能力的要求越来越高,因而软件系统由需求、环境引起的适应性越来越突出。金融、电信、电力、交通和国防等国家基础设施的运转越来越依赖于具有自适应能力的软件系统。自适应系统通常驻留在动态、开放的环境中,能够感知环境变化,并根据环境变化动态调整自身的结构和行为,以将系统所提供的功能或展现的性能等维持在一个令人满意的水平。尽管自适应系统的研究和开发受到了学术界和工业界的广泛重视,但如何有效地对自适应系统进行规约、分析、设计和实现仍然是软件工程面临的一项重要挑战。软件体系结构从全局和宏观的角度刻画了软件的配置,可有效展示系统的动态演化,有助于验证系统性质和刻画关键约束条件,可以有效地降低自适应系统开发和维护的复杂性。论文站在软件体系结构的角度,针对微观层面上的自适应构件和宏观层面上的自适应体系结构描述和分析,研究了自适应系统软件体系结构的基础理论和关键技术,包括:核心机制、语言设施、语义模型、性质验证和支撑环境。具体研究成果和创新点描述如下:1.基于Agent的自适应构件实现模型和运行机制。论文将自适应系统中的自适应软件实体抽象和物化为软件Agent,提出了基于Agent的自适应构件以及支持自适应构件适应环境变化的动态绑定机制。自适应构件在其生命周期中能够感知外部环境的变化,根据自身所具有的自适应策略,采取一系列动态绑定操作,以改变自身的行为规约,从而适应外部环境的变化。论文进一步提出了基于Agent自适应构件的构造和运行技术框架,形式化规约了其运行机制。2.自适应系统的软件体系结构描述语言Bi-ADL。为了对自适应系统的软件体系结构进行规约、分析和性质验证,论文提出了自适应系统的软件体系结构描述语言Bi-ADL。Bi-ADL能够从环境、结构和行为三个视点对自适应系统进行规约,支持对构件和配置层面的自适应描述,具有表达系统演化过程中结构和行为约束的能力。3. Bi-ADL的语义模型和性质验证。论文提出了基于Bigraph理论的Bi-ADL语义模型。论文分别将环境、结构和行为转化为Bigraph,用反应规则表示三者的变化。基于该语义模型,论文提出了对自适应系统在演化过程中一组重要性质进行验证的方法,包括结构和行为的一致性、系统的完整性、策略的协调性、系统与风格的一致性等。4.基于软件体系结构的自适应系统开发环境SArchStudio。为了支持自适应系统软件体系结构的规约、分析和动态演化,支持自适应系统的设计和构造,论文设计和开发了自适应系统软件体系结构开发环境SArchStudio,包括Bi-ADL语法编辑器、语义模型转换工具、性质验证工具、基于Agent的自适应构件的开发和实现平台等一系列工具集,用以辅助自适应系统开发的各个流程,并进行了应用案例分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 自适应系统概念和理论模型
• 1.2.1 自适应系统的概念
• 1.2.2 自适应系统的理论模型
• 1.3 相关研究现状
• 1.3.1 动态软件体系结构
• 1.3.2 自适应系统研究现状
• 1.3.3 自适应系统软件体系结构研究面临的问题
• 1.4 论文拟解决的科学问题和主要贡献
• 1.5 论文结构
• 第二章 基于 Agent 的自适应构件
• 2.1 问题分析
• 2.2 自适应机制
• 2.2.1 自适应多Agent 系统
• 2.2.2 动态绑定机制
• 2.3 基于 Agent 自适应构件的构造技术
• 2.3.1 自适应构件的技术框架
• 2.3.2 环境描述和感知
• 2.3.3 自适应策略
• 2.3.4 演化约束
• 2.4 基于 Agent 自适应构件的运行技术
• 2.4.1 自适应构件的规约
• 2.4.2 自适应构件运行模型
• 2.4.3 约束检查
• 2.5 案例分析
• 2.6 相关工作对比分析
• 2.7 小结
• 第三章 自适应系统的软件体系结构描述语言 Bi-ADL
• 3.1 问题分析
• 3.2 Bi-ADL 的核心概念和语法框架
• 3.3 环境描述
• 3.3.1 基本概念
• 3.3.2 环境规约
• 3.4 结构描述
• 3.4.1 基本概念模型
• 3.4.2 接口规约
• 3.4.3 原子构件
• 3.4.4 复合构件
• 3.4.5 结构约束规约
• 3.5 行为描述
• 3.5.1 基本概念模型
• 3.5.2 行为规约
• 3.5.3 行为约束规约
• 3.6 体系结构风格规约
• 3.7 相关工作对比分析
• 3.8 小结
• 第四章 Bi-ADL 的语义模型和性质验证
• 4.1 问题分析
• 4.2 Bigraph 理论
• 4.2.1 Bigraph 理论的基本概念
• 4.2.2 Bigraph 理论的研究现状
• 4.3 Bi-ADL 的语义模型
• 4.3.1 结构语义
• 4.3.2 行为语义
• 4.3.3 环境语义
• 4.4 演化过程中的性质验证
• 4.4.1 行为一致性
• 4.4.2 系统完整性
• 4.4.3 策略协调性
• 4.4.4 系统与风格的一致性
• 4.5 相关工作对比分析
• 4.6 小结
• 第五章 自适应系统开发环境 SArchStudio
• 5.1 整体技术框架
• 5.2 开发环境的实现
• 5.2.1 Bi-ADL 编辑和转换
• 5.2.2 代码和模型的转换器
• 5.2.3 基于Agent 自适应构件的实现和运行平台
• 5.3 案例分析
• 5.4 相关工作对比分析
• 5.5 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 论文工作
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间取得的学术成果
• 攻读博士期间参加的科研项目