基于模型的自适应方法综述-赵天琪 , 赵海燕 , 张伟 , 金芝.pdf

上善若水

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2022-05-19

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软件学报 ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@iscas.ac.cn

Journal of Software,2018,29(1):2341 [doi: 10.13328/j.cnki.jos.005323] http://www.jos.org.cn

基于模型的自适应方法综述





赵天琪

1,2

赵海燕

1,2

张

伟

1,2

金

芝

1,2

(高可信软件技术教育部重点实验室(北京大学),北京 100871)

(北京大学信息科学技术学院软件研究所,北京 100871)

通讯作者: 赵海燕, E-mail: zhhy.sei@pku.edu.cn

摘要: 自适应为管理现代软件系统的复杂性提供了有效的解决方案,被设计为自适应系统的软件能够持续地演

化以应对环境中的不确定性.在现有的研究工作中,基于模型的自适应方法是一类广泛使用的方法,它将模型驱动工

程技术的应用从设计时扩展到运行时,以支持自适应能力的实现.通过利用软件模型对运行时丰富和不确定的信息

进行管理,这类方法避免了将自适应逻辑与程序语言交织带来的复杂性,从而简化了自适应系统的开发.对近些年来

国内外学者在该研究领域取得的成果进行了系统总结.首先给出了 6 个研究问题,包括相关工作常用的需求模型、

结构模型、行为模型、环境模型、模型与模型或模型与系统间的同步方式、自适应规划算法等;然后,依次总结了

相关工作在这 6 个研究问题上的已有研究成果;最后,对未来研究可能面临的挑战进行了展望.

关键词: 自适应软件;模型驱动的软件工程;基于模型的自适应;自适应规划方法.

中图法分类号: TP311

中文引用格式: 赵天琪,赵海燕,张伟,金芝.基于模型的自适应方法综述.软件学报,2018,29(1):23 41 . http://www.jos.org.cn/

1000-9825/5323.ht m

英文引用格式: Zhao TQ, Zhao HY, Zhang W, Jin Z. Survey of model-based self-adaptation methods. Ruan Jian Xue Bao/

Journal of Software, 2018,29(1):2341 (in Chinese). http://www.jos.org.cn/1000-9825/5323.ht m

Survey of Model-Ba sed Self- Adaptati on Metho ds

ZHAO Tian-Qi

1,2

, ZHAO Hai-Yan

1,2

, ZHANG Wei

1,2

, JIN Zhi

1,2

(Key Laboratory of High Confidence Software Technology Ministry of Education (Peking University), Beijing 100871, China)

(Institute of Software, School of Electronics Eng ineering and Computer S cience, Peking Un iversity, Beijing 100871, China)

Abstra ct : Self-Adaptation provides a promising approach to managing the complexity of modern software s ystems, and in parti cular, to

enabling systems to continuously adapt themselves to un certainty in the env ironment. In existing works, model-based self-adapatation is a

type of widely used methods that extend the appli cability of model-driven engineering techniques to the runti me environment to facilitate

self-adaptation. By leveraging software models to manage the abundant information associated with runtime phenomena, model-based

self-adaptation methods are able to avoid the complexity introduced by intertwining adaptation and application behaviors and therefore

simplify the development of self-adaptive systems. This paper first lays out six research questions from existing studies concerning system

models, environment models, relationship among models, and model-based adaptation planning methods. It then answers the research

questions by investigating r elevant stu dies. Fin ally, the p aper offers some su ggestions for future r esearch.

Key words: self-adaptive software; model-driven sof tware engineering; model-based self- adaptation; self-ad aptation pl anning method

软件正在变得越来越复杂,导致软件复杂度不断上升的一个重要原因是软件运行环境及软件自身所具有

 基金项目: 国家自然科学基金(61620106007, 61690201, 61272163); 国家重点基础研究发展计划(973)(2015CB352201)

Foundation item: National Natural Science Foundation of China (61620106007, 61690201, 61272163); National Basic Research

Program of China (973) (2015CB352201)

收稿时间: 2017-02-03; 修改时间: 2017-03-23; 采用时间: 2017-05-30; jos 在线出版时间: 2017-07-12

CNKI 网络优先出版: 2017-07-12 16:17:07, http://kns.cnki.net/kcms/d etail/11.2560.TP.20170712.1617.019.html

Journal of Software 软件学报 Vol.29, No.1, January 2018

的动态性和不确定因素的持续增长.为了让软件在环境变化后仍能持续满足用户需求,一种有效的解决方案是

将软件设计为自适应系统.自适应系统是指能够监测环境和系统自身的变化,并可以动态修改自身行为和结构

以响应变化的系统.

在自适应软件系统的研究中,基于模型的自适应方法是一个重要的研究方向.这类方法将模型驱动工程中

模型的应用从开发阶段扩展到运行阶段,利用软件模型对运行时丰富和不确定的信息进行管理.通过使用模型

这类方法,使得开发者可以忽略具体的实现细节,在高层次的抽象上规约和设计自适应逻辑,从而避免了将自适

应逻辑与程序语言交织带来的复杂性,简化了自适应系统的开发和设计.在基于模型的自适应方法中,一个模型

是一个与系统有因果联系的系统的抽象表示,从问题空间的角度对系统的结构、行为或需求进行了刻画.这里

的模型与传统的模型驱动工程中的模型共享共同的观点,又在其上进行了扩展.扩展后的模型可以为自适应系

统的动态演化、在线推理、动态状态监测、系统控制、系统行为观察、制品的自动生成、增加新的设计决策

等提供支持.

为了给基于模型的自适应方法的研究提供支持,本文提出了 6 个研究问题,包括相关工作常用的需求模型、

结构模型、行为模型、环境模型、模型与模型或模型与系统间的同步方式、自适应规划算法等.从这 6 个研究

问题入手,对现有的基于模型的自适应方法进行了分析和总结.我们首先在 IEEE、ACM、Springe r 和谷歌学术

等论文搜索引擎中进行检索, 检索时采用的主要英文关键词为((model based) or (model driven)) and

((adaptation) or (self-adaptation) or (self-adaptive system));然后,对检索出的论文进行浏览和筛选,去掉与基于模

型的自适应方法无关的论文;对于通过筛选的论文,通过阅读和检索其参考文献、搜索作者的论文列表来进一

步识别出相关的论文;最终,选择出与该研究问题直接相关的高质量论文共 40 篇.根据获取到的文献,我们对提

出的研究问题进行了总结和回答.在此基础上,指出现有研究中的不足,并提出解决这些不足的设想.

本文第 1 节介绍自适应系统和基于模型的自适应方法的相关知识.第 2 节阐述相关的研究问题以及获取和

筛选相关工作的标准与过程.第 3 节根据对现有的相关工作的分析与研究,对提出的研究问题进行详细的回答.

第 4 节对现有方法中存在的问题和可能的解决思路进行介绍.第 5 节对全文进行总结.

1 基于模型的自适应方法

本节对基于模型的自适应方法的相关内容进行介绍.首先介绍自适应系统的相关概念,然后对基于模型的

自适应方法进行介绍.

1.1 自适应系统

现代软件往往被部署于动态变化的环境中,同时需要满足可能发生动态变化的用户需求.变化的发生是不

可预测和不可控的,并有可能导致系统的需求被违反.为了应对这样的复杂性,将软件设计成自适应系统(self-

adaptive system)是一种有效的解决方案.自适应系统

[13]

是指能监测环境和系统自身的变化,并能够动态调整自

身以响应变化的系统.被设计为自适应系统的软件具有两种能力:(1) 监测环境和系统变化的能力;(2) 进行自

适应的操作来改变软件,以保证需求在变化发生后仍被持续满足的能力.这里的环境是指所有能被软件系统观

察到的上下文,包括终端用户输入、外部的硬件设备、程序插桩等;自适应的操作是指可由软件自主进行的操

作,包括修改参数、改变算法或方法、增加或减少构件、重组体系结构等.

自适应软件通常包括被管理元素和管理元素两个部分,其中,被管理元素是指自适应软件的应用逻辑,这部

分可以在运行过程中被动态地加以调整;管理元素是指自适应软件的自适应逻辑,这部分通常通过反馈回路对

应用逻辑进行调控

[4]

.一种典型的反馈回路是 MAPE-K 回路(如图 1 所示),该反馈回路包括 4 个过程,即监测

(monitor)、分析(analyze)、规划(plan)和执行(execute),以及一个被各过程共享的知识库(knowledge base).其中,

监测过程通过传感器从环境和软件中收集数据,建立数据的相关性,并将数据转化为行为模式;分析过程对监测

到的数据进行分析,以判断是否需要做出自主的调整;规划过程做出如何调整的决定,包括决定软件的需要变化

的部分以及决定对这一部分做出何种操作以获得最好的结果;执行过程负责执行规划过程做出的决定,这包括

将操作映射到相应的效应器上执行,将非原始的操作按照预先定义的工作流进行执行等.

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