A Structured Feature-Based Design Method for Embedded Software Component Architecture Supporting Traceability
추적성을 지원하는 구조적 피처 기반 임베디드 소프트웨어 컴포넌트 아키텍처 설계 방법
- 주제(키워드) Embedded Software , Component-Based Software Architecture Design , Requirement Traceability , Structured Feature , 임베디드 소프트웨어 , 컴포넌트 기반 소프트웨어 아키텍처 설계 , 요구사항 추적성 , 구조적 피처
- 주제(DDC) 621.39
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 류기열
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 컴퓨터공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034718
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Embedded software has become an essential component in various industrial domains, including medical devices, automotive systems, and weapon systems, playing a critical role in improving people's quality of life. However, the malfunction of embedded software can lead to severe consequences, such as human casualties, making quality attributes such as safety and reliability of utmost importance. To ensure these quality attributes, international standards mandate requirement traceability as an essential aspect of the embedded software development process. Component-Based Development (CBD) is a widely adopted approach in embedded software development, where software is developed by dividing it into smaller components and assembling them into a complete system. However, traditional CBD methodologies face several limitations. Component identification often relies heavily on the intuition and experience of the designer, leading to inconsistent results depending on their expertise. Furthermore, CBD methodologies do not sufficiently support requirement traceability tailored to embedded software. In particular, when requirements are expressed in diverse formats such as natural language, scenario-based descriptions, or goal-oriented approaches, additional steps are required to transform them into specific models, increasing the complexity of the process. This study proposes a Structured Feature-based Component Architecture Design (SFCAD) methodology to address these issues. The proposed method consists of two key phases: the Component Identification phase and the Component Interaction phase. In the Component Identification phase, initial components are identified by categorizing their functions based on the Action attribute of the structured features. In the Component Interaction phase, the data attributes of the structured features are used to define the interfaces between identified components and to allocate operations to these interfaces. The feasibility of the proposed method was validated through case studies involving an automotive door control system and a vehicle lane merging control system. The results demonstrated that the structured feature-based design methodology effectively bridges the gap between requirements and design in the early stages of component architecture design. Additionally, it enhances traceability and improves the efficiency of the design process. Specifically, the methodology systematically identifies components based on the sensor-actuator pattern and clearly defines the flow of data within the system. This research presents a systematic approach that facilitates the connection between problem and solution domains through structured features derived from requirements and hardware system models. By supporting effective requirement traceability, this methodology contributes to improving design quality in embedded software systems that demand high reliability and safety. Future research will focus on automating the structured feature-based design methodology, integrating non-functional requirements, and extending requirement traceability throughout the entire software lifecycle.
more초록/요약
임베디드 소프트웨어는 의료기기, 자동차, 무기 체계 등의 다양한 산업 분야에 적용되어 사람들의 삶에 필수적인 요소로 자리 잡고 있다. 하지만 임베디드 소프트웨어의 오동작은 인명 재해 등의 심각한 결과를 초래할 수 있기 때문에 안전성과 신뢰성과 같은 품질 속성이 매우 중요하게 여겨진다. 품질속성의 보장을 위해 국제 표준에서는 요구사항 추적을 임베디드 소프트웨어 개발 과정에서 필수 요소로 다루고 있다. 컴포넌트 기반 개발(Component-Based Development, CBD)은 소프트웨어를 작은 컴포넌트들로 나누어 개발하고 이를 조립하여 소프트웨어를 구성하는 방식으로 임베디드 소프트웨어 개발에서도 널리 활용되고 있다. 하지만 기존 CBD 방법론은 명확한 기준 없이 컴포넌트 식별이 설계자의 직관과 경험에 의존하며, 설계자의 숙련도에 따라 결과가 달라질 수 있다는 한계가 있다. 또한, CBD 방법론은 임베디드 소프트웨어에 특화된 요구사항 추적성을 충분히 지원하지 못하며 요구사항이 자연어, 시나리오 기반, 목표 지향 등 다양한 방식으로 서술되는 경우 이를 특정 모델에 맞게 변환하는 추가 단계가 필요하다는 문제점이 있다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 구조적 피처(Structured Feature)를 기반으로 한 컴포넌트 기반 임베디드 소프트웨어 아키텍처 설계 방법(SFCAD)을 제안한다. 제안된 방법은 컴포넌트 식별 단계와 컴포넌트 상호작용 단계로 구성된다. 컴포넌트 식별 단계에서는 구조적 피처의 Action 속성을 활용하여 컴포넌트의 기능을 분류하고 초기 컴포넌트를 식별한다. 컴포넌트 상호작용 단계에서는 구조적 피처의 데이터 속성을 기반으로 식별된 컴포넌트 사이의 인터페이스를 정의하고 인터페이스에 작업을 할당한다. 본 연구에서는 자동차 도어 제어 시스템과 차량 끼어들기 분석 시스템을 사례로 제안된 방법의 실현 가능성을 검증하였다. 이를 위해 연구 문제를 정의하고 가설을 세웠으며, 가설의 검증을 위한 단위의 분석을 진행하였다. 사례 연구 결과, 구조적 피처 기반 설계 방법은 컴포넌트 아키텍처 설계 초기 단계에서 요구사항과 설계 간의 간극을 좁히고, 추적 가능성을 강화하며, 설계 프로세스의 효율성을 높이는 데 기여함을 확인하였다. 특히, 센서-액추에이터 패턴을 기반으로 컴포넌트를 체계적으로 식별하고 데이터 흐름을 명확히 정의할 수 있었다. 본 연구는 요구사항과 하드웨어 시스템 모델로부터 도출된 구조적 피처를 통해 문제 영역과 해결 영역 간의 연결을 하고 요구사항 추적을 효과적으로 지원하는 체계적인 방법론을 제시하였다. 제안된 방법을 적용한 설계는 고신뢰성과 안전성이 중요한 임베디드 소프트웨어 시스템에서 설계 품질을 향상시킬 수 있다. 향후 연구에서는 구조적 피처 기반 설계 방법의 자동화, 비기능 요구사항의 통합, 그리고 소프트웨어 생명주기 전반에 걸친 요구사항 추적성을 지원하는 방향으로 확장할 예정이다.
more목차
I Introduction 1
A. Motivations 1
B. Challenges 2
C. Contributions 3
D. Scope 5
E. Dissertation Organization 7
II Backgrounds and Related Works 9
A. Embedded Software 9
1. Definition and Characteristic 10
2. Embedded Software Architecture 13
3. Sensor-Actuator Pattern 16
B. Requirements Traceability 20
1. Definition and Characteristics 20
2. Requirements Tracing Methods 23
3. Requirements Tracing for Embedded Software 26
C. Component-based Development 30
1. Component 31
2. Component-based Development Process 33
3. Component-based Development for Embedded Software 35
D. Structured Feature 37
1. Structured Feature Model 37
2. Structured Feature Analysis 42
3. Evolution of Structured Feature Concept 45
III Component-based Embedded Software Architecture Design based on Structured Feature 47
A. Overview 48
B. Proposed Method 50
1. Phase 1: Component Identification 52
2. Phase 2: Component Interaction 58
C. Structured Features for Component Architecture 61
1. Relationship between Component and Structured Feature 62
2. Relationship between Artifacts in SFCAD 63
D. Chapter Summary 65
IV Tracing between Functional Requirements and Component Architecture Elements 67
A. Overview 67
B. Proposed Method 69
1. Structured Features in the Process 69
2. Correspondence between Components and Structured Features 71
3. Structured Features for Interface Operations Allocation 77
4. Construction of a Traceability Matrix 80
C. Ensuring Traceability of Requirements and Component Architecture Elements 83
1. Structured Feature-based Requirement Tracing 83
2. Tracing Between Requirements and Component Architecture 84
D. Chapter Summary 91
V Case Study 93
A. Case Study Design 94
1. Study Question 95
2. Study Proposition 96
3. Unit of Analysis 100
B. Automotive Door Control System 103
1. System Overview 103
2. Structured Feature Analysis 105
3. Structured Feature Adaptation 109
4. Tracing between artifacts 115
5. Traceability Matrix 118
6. Connection Between Artifacts 119
C. AI Traffic Congestion Analysis System 122
1. System Overview 122
2. Vehicle Cut-in Detection System 124
3. Structured Feature Analysis 127
4. Structured Feature Adaptation 130
5. Tracing Between Artifacts 136
6. Traceability Matrix 139
7. Connection Between Artifacts 140
VI Discussion 144
A. Result Analysis 144
B. Evaluation 146
1. Specific Proposition SP1.1 149
2. Specific Proposition SP1.2 150
3. Specific Proposition SP1.3 150
4. Specific Proposition SP2.1 151
5. Specific Proposition SP2.2 151
6. Specific Proposition SP2.3 152
C. Limitations 152
VII Conclusion 154
A. Summary 154
B. Future Works 155
C. Conclusion 156
References 157
