De hele wereld aan de modelgebaseerde systeemontwikkeling

22 april 2011

Steeds meer bedrijven kijken naar modelgebaseerde methodes om de toenemende systeemcomplexiteit te beteugelen. De adoptie ervan laat echter nog te wensen over. Behalve dat de industrie zelf een tandje moet bijzetten, vindt Jos Baeten dat de academische wereld actiever mag evangeliseren. In het bijzonder pleit de TUE-hoogleraar systeemengineering voor meer universitaire spin-offs in modelgebaseerde tooling.

Modelgebaseerde ontwikkeling is in en er komen dan ook steeds meer tools voor op de markt. In principe zijn er echter maar drie soorten, naar het type model dat ze hanteren. ‘Grofweg onderscheiden we modellen uit de werktuigbouw, waar we aan rekenen met continue wiskunde zoals differentiaalvergelijkingen’, vertelt Jos Baeten, hoogleraar systeemengineering aan de Technische Universiteit Eindhoven. ‘Daarnaast zijn er de modellen uit de informatica, die discrete wiskunde toepassen zoals automaten met toestandsovergangen. Ten slotte zijn er de modellen die omgaan met onzekerheid. Die gebruiken stochastische wiskunde en verbinden bijvoorbeeld kansen aan die overgangen.’

Matlab en Simulink van Mathworks en Labview van National Instruments zijn bekende voorbeelden van tools die leunen op continue wiskunde. Typisch discreet zijn de Analytical Software Design-methode (ASD) van Verum en de gereedschapskist rond de Micro Common Representation Language 2 (MCRL2), gebouwd en onderhouden bij de TUE-groep van Jan Friso Groote. Een naam die volgens Baeten niet mag ontbreken in het laatste rijtje is Uppaal, een gezamenlijke ontwikkeling van de universiteiten van Uppsala en Aalborg onder leiding van de Deense professor Kim Larsen. Deze ASD-concurrent is vooral populair onder academici en nog niet echt doorgedrongen tot de industrie. Hetzelfde geldt voor tools die rekenen met stochastische wiskunde zoals Markov-ketens.

In het werkgebied van de hoogleraar systeemengineering komen de stromingen samen. ‘Aan de ene kant heb je de regeltechniek, met continue beschrijvingen van de wereld – het speelveld van Matlab en Simulink. Aan de andere kant is er de besturingssoftware, met discrete representaties van de wereld – het terrein van gereedschap waarmee toestanden en de overgangen daartussen zijn te beschrijven, zoals ASD, MCRL2 en Uppaal.’ Er duiken ook steeds meer hybride oplossingen op die continu en discreet combineren. ‘Mijn groep heeft bijvoorbeeld Chi. Verder doen wij veel met SpaceEx van Goran Frehse uit Grenoble. Dat heeft ook een goede koppeling naar Matlab. En in Aken werkt Joost-Pieter Katoen aan een hybride met stochast. Dan heb je de drie bij elkaar.’

Alles volledig in één tool vatten, is volgens Baeten onmogelijk én onwenselijk. ‘Bij realistische systeemontwikkeling heb je altijd te maken met verschillende modellen voor verschillende deelaspecten of componenten. Elke discipline heeft zijn eigen favoriete beschrijvingsmethodes en gereedschappen. Dat moet je allemaal niet in één tool willen stoppen. Belangrijk is dat je kunt omgaan met al die oplossingen en er gemakkelijk tussen kunt schakelen.’ Daarom heeft zijn groep het Compositional Interchange Format (Cif) ontwikkeld voor hybride systemen. ‘Dat maakt het mogelijk verschillende tools te koppelen en informatie daartussen uit te wisselen. Je kunt bijvoorbeeld een specificatie maken in Chi en die via Cif verifiëren met de modelchecker van Uppaal. Cif zelf is ook weer een hybride taal waarmee je zowel continue als discrete wiskunde kunt doen.’

Patiënttafel

De wortels van Baeten zelf liggen in de discrete wiskunde, in de procesalgebra om precies te zijn. ‘Dat is een theorie waarmee je parallelle gedistribueerde systemen kunt beschrijven, dus systemen die bestaan uit verschillende onderdelen die samen taken uitvoeren maar tegelijk ook onafhankelijk van elkaar opereren. Je brengt de processen die er lopen in kaart door de informatie-uitwisseling over tijd te vatten in een wiskundige constructie, een algebra - Chi of MCRL2 bijvoorbeeld. Vervolgens kun je eraan gaan rekenen en specifiek gedrag bewijzen. Van een communicatieprotocol kun je zo laten zien dat het doet wat het hoort te doen. Of juist niet: we hebben eens het boek van Andy Tanenbaum doorgeploegd en verschillende fouten aangetoond in zijn protocollen.’

Baeten ging in 1972 wiskunde studeren aan de Universiteit Utrecht omdat hij tot de basis van de discipline wilde doordringen. Zes jaar later rondde de geboren en getogen Tilburger zijn opleiding af met als specialisatie de logica en de grondslagen van het vakgebied. Op voorspraak van zijn professor Henk Barendregt kon hij zijn wetenschappelijke loopbaan vervolgen aan de University of Minnesota met een ultratheoretisch promotieproject, uitmondend in een proefschrift dat ‘misschien tien mensen in de hele wereld kunnen lezen’. Terug in Nederland ging hij in 1984 aan de slag als onderzoeker bij het CWI in Amsterdam, waar hij de overstap maakte naar de theoretische informatica en de procesalgebra. Vanaf 1985 was hij daarbij universitair informaticadocent aan de UvA, tot er begin jaren negentig een leerstoel vrijkwam aan de TUE.

In Eindhoven is Baeten negentien jaar lang hoogleraar theoretische informatica geweest bij Wiskunde & Informatica. Vorig jaar april verruilde hij zijn leerstoel Formele Methoden echter voor de leerstoel Systeemengineering bij de buren van Werktuigbouwkunde. Hoewel dit voor veel opgetrokken wenkbrauwen zorgde binnen zijn oude faculteit, vindt Baeten de overstap zelf niet raar. Hij was toe aan een nieuwe uitdaging en toen Koos Rooda met emeritaat ging en diens leerstoel beschikbaar kwam, was een en een twee. Bovendien doet hij nog steeds niet veel anders dan tijdens zijn beginjaren als wiskundige. ‘Ik gebruik wiskunde om te redeneren, te analyseren, te construeren. Alleen het object van studie is veranderd: van de wiskunde zelf, naar software, naar systemen.’

Bij Werktuigbouwkunde focust Baeten met zijn groep momenteel op supervisory control synthesis. Dat is een methode om de overkoepelende besturing van een complexe machine te produceren uit modellen van de samenstellende componenten in combinatie met een geformaliseerde set requirements. ‘Als je voor elk onderdeel van je systeem de vereisten hebt vastgelegd, dus wat het moet doen, dan kun je daaruit automatisch de code genereren voor de volledige besturingssoftware. Op basis van Cif hebben wij hiervoor een omgeving gebouwd met de synthesetool van Chuan Ma. Dat is een promovendus van Murray Wonham, die de onderliggende theorie in 1984 ontwikkelde samen met Peter Ramadge. Onze omgeving hebben we al bij verschillende bedrijven succesvol toegepast. In een experiment bij Philips Healthcare hebben we bijvoorbeeld de besturing gegenereerd voor de patiënttafel van een MRI-scanner. In een paar uur, en gegarandeerd deadlockvrij.’

Actiever evangeliseren

Baeten komt regelmatig over de vloer bij bedrijven. Toch vindt zijn academische waar daar nog niet echt gretig aftrek. ‘Onderzoekssamenwerking vinden ze prima, maar voor de tools in hun productontwikkeling hebben ze liever de professionele ondersteuning van een commerciële leverancier. Mijn groep biedt wel support, best uitgebreid zelfs, maar een volwaardige helpdesk hebben we niet. Hetzelfde geldt voor Uppaal, dat echt heel bruikbaar is in de praktijk. Op papier is daar wel een partij voor die tussen academia en industrie in staat, maar in feite is die leeg en kom je toch weer uit bij de universiteit. Tot nu toe is het in onze samenwerkingen met bedrijven zo geweest dat onze tools voornamelijk worden gebruikt door onszelf. En als we weg zijn, gaan zij er ook niet mee verder.’

De Eindhovense hoogleraar pleit voor meer start-ups die academische vindingen vermarkten. ‘De faciliteiten daarvoor zijn in ruime mate aanwezig, zeker hier aan de TUE, en de universiteit stimuleert studenten ook om hun eigen bedrijf te beginnen. Jammer genoeg gebeurt het te weinig. Het zou een goede ontwikkeling zijn als er meer Verums komen.’ Wetenschappelijke speeltjes zoals MCRL2 of Uppaal uitspinnen in een commerciële onderneming zou hun industriële adoptie een flinke impuls geven, is Baetens stellige overtuiging. Bovendien: meer concurrentie voor Verum houdt ze scherp in Waalre.

Los daarvan vindt Baeten dat bedrijven uit zichzelf meer aan modelgebaseerde ontwikkeling zouden moeten doen. ‘Dat is de weg vooruit. Bij ASML is dat besef in ieder geval doorgedrongen. Daar hebben ze ingezien dat als ze op de oude voet doorgaan met software ontwikkelen dat ze dan meer ontwikkelaars nodig gaan hebben dan Nederland in een jaar produceert. Andere bedrijven willen wel en snuffelen er een beetje aan, maar er zijn er maar weinig die de noodzaak zien. Je doet het ook niet zomaar even. Het is een heel traject voor een organisatie om de modelgebaseerde werkwijze tussen de oren van de ontwikkelaars te krijgen.’

De wetenschappelijke wereld heeft daar volgens Baeten te weinig oog voor en laat het initiatief te veel aan de industrie, met als gevolg dat het daar niet zo’n vaart loopt met de inburgering van de modelgebaseerde aanpak. Academici zouden wat hem betreft ook best wat actiever mogen evangeliseren. Hij is er alleen niet over uit welke aanpak daarbij het meest effectief is: zelf het stuur pakken of op de bijrijdersstoel plaatsnemen. ‘Bij MCRL2 volgen ze de wij-doen-het-voor-jullie-benadering: ze gaan bij een bedrijf zitten en maken het model zelf. In Grenoble doet Hubert Garavel het tegenovergestelde: die stelt de CADP-toolkit met begeleiding beschikbaar aan de industrie. Ik weet niet wat beter is, maar de Fransen zeggen zelf dat meer en meer bedrijven hun gereedschap gebruiken. En bij Matlab heeft een soortgelijke aanpak zeker zijn succes bewezen.’

Beslagen ten ijs

‘De hele wereld moet aan de modelgebaseerde systeemontwikkeling’, formuleert Baeten zijn ultieme doel. ‘Wij dragen ons steentje bij door met Cif allerlei tools te koppelen en informatie heen en weer te vertalen. Op den duur zie ik een filosofie van systeemontwikkeling ontstaan waarbij de verschillende disciplines in een voor hen gemakkelijk formalisme hun delen van het systeem modelleren en de bijbehorende eisen opstellen. Een systeemontwerper coördineert het geheel. In mijn visie is dat geen informaticus, elektronicus of werktuigbouwer, maar iemand die op elk vakgebied kan meepraten. Tooling breit vervolgens alles aan elkaar door de overkoepelende besturingssoftware te genereren.’

Vanuit zijn onderwijstaak wil Baeten studenten hierop voorbereiden, zodat de ontwikkelaars van morgen beter beslagen ten ijs komen. ‘De drie vormen van wiskunde moeten tot de basis behoren van de opleiding werktuigbouwkunde hier. Met het grote aandeel van regeltechniek in het huidige curriculum is het continue redeneren stevig verankerd in het hoofd van de engineer; voor het discrete en stochastische denken is mijn inziens nog te weinig aandacht, waardoor deze vormen veel minder zijn ingedaald. Dat moet meer in balans komen. Door studenten meer discrete en stochastische bagage te geven, wil ik bereiken dat de volgende generatie engineers de modelgebaseerde werkwijze helpt verbreiden, in plaats van toch weer code te gaan kloppen. Waar het vroeger ging om ijzer in de systeemontwikkeling, is er nu ook een belangrijke rol weggelegd voor software. Dat ik als informaticus benoemd ben bij Werktuigbouwkunde zie ik als erkenning voor dat toegenomen belang.’

Tijdens de Model-Driven Development Day op 29 april in Eindhoven verzorgt Jos Baeten een inleidende keynote over modelgebaseerde systeemontwikkeling. Hierin zal hij een overzicht geven van het veld, met speciale aandacht voor supervisory control synthesis.

Nieke Roos

Terug naar overzicht