Home > ICT-onderzoek NL > NOAG-ict > Themas > Methoden voor ontwerpen en bouwen

Methoden voor ontwerpen en bouwen

Themabeschrijving
Computer Aided Design (CAD, zoals we methoden voor ontwerpen en bouwen kortweg zullen noemen) is een autonome ICT-discipline die zich richt op de ontwerpkunde in het algemeen en het ontwerpen van ICT-systemen in het bijzonder. Ontwerpen staat centraal in de ingenieurspraktijk van veel vakgebieden: vliegtuigbouw, civiele techniek, bouwkunde, procestechnologie, werktuigbouw, infrastructuren en niet in de laatste plaats in de ICT-gebieden softwareontwerp, communicatiesystemen en micro-elektronica. De ontwerpactiviteiten in al deze gebieden hebben diverse aspecten met elkaar gemeen: (1) de ICT-methodologie, (2) optimaliseringstechnieken en (3) de mens-machine-interactie. Grote verschillen bestaan tussen ontwerpen gericht op vorm (bouwkunde en in mindere mate civiele techniek) en gericht op functie (ICT, werktuigbouw, civiele techniek). In het eerste geval speelt geometrie een vooraanstaande rol, in het tweede geval het toetsbare gedrag, via simulatie of bewijsvoering (formele verificatie).
De moderne ontwerpkunde heeft de ambitie om steeds complexere en meer intelligente systemen te ontwerpen. Dit streven wordt enerzijds gedreven door de snel toenemende technische mogelijkheden (bijvoorbeeld de micro-elektronica waar momenteel een ware revolutie aan de gang is: van micro- naar nanotechnologie), en anderzijds door de snel krachtiger wordende hulpmiddelen voor validatie (model checking), simulatie en visualisatie, in grote mate dankzij de ICT zelf.
Deze ontwikkelingen plaatsen CAD voor grote uitdagingen: het inzicht groeit niet even snel als de techniek. De rekenbehoefte houdt geen gelijke tred met de toename in rekencapaciteit. Deze paradox is eenvoudig te verklaren: verdubbeling in systeemcomplexiteit vereist meer dan verdubbeling in rekenkracht om de eigenschappen van het systeem bij te houden. Een aantal netelige complexiteitsproblemen is, ondanks veel vooruitgang, nog niet fundamenteel opgelost. Hierdoor zijn de meeste systemen die we tegenwoordig ontwerpen niet meer bewijsbaar correct ? hoe durven mensen nog zonder angstgevoelens in een vliegtuig te stappen! Ontwerpmethodologie wordt hierdoor van cruciaal belang: de centrale uitdaging is om de complexiteit te verslaan.
Inzoomend op het ontwerpen van ICT-systemen hebben we te maken met een gelaagd model van ontwerpabstracties, waarbij op iedere laag een relevant abstractieparadigma geldt waarbinnen ontworpen wordt:
  • Systeemlaag: software, communicatiesysteem, servicemanagementplatform
  • Architectuurlaag: architectuur, hardware/software partitionering, protocollen, communicatie- en controle-infrastructuur
  • Circuitlaag: elektrisch gedrag en elektromagnetische interacties
  • Fysieke laag:chip (layout, realisatie), fysieke communicatievoorzieningen
In het verleden was het streven om de verschillende ontwerplagen onafhankelijk van goede interfaces te voorzien, zodat zij onafhankelijk van elkaar ontwikkeld konden worden. In het licht van de vele nieuwe ontwikkelingen in de ICT is deze gelaagde aanpak moeilijk vol te houden en ziet het gebied zich geconfronteerd met nieuwe ontwerpvraagstukken waarin diverse lagen op een doordringende manier met elkaar verbonden raken. Voorbeelden zijn sensornetwerken, ad hoc-netwerken, grid computing en integratie van legacy software.
Onderzoeksuitdagingen
Op alle genoemde abstractielagen spelen vergelijkbare fundamentele onderzoeksuitdagingen.
Modelgedreven ontwerp
Er zijn expressieve modelleringsformalismen nodig om de essentile aspecten van complexe systemen op de verschillende abstractieniveaus voldoende compact te kunnen representeren en met behulp van CAD-gereedschap effectief te kunnen construeren, manipuleren en onderhouden. De modellen zijn niet alleen uitgangspunt voor het feitelijk ontwerpproces, maar vormen ook de basis voor de analyse en validatie van de ontwerpstappen door middel van wiskundige analyse, simulatie en testen. Naast hun formele inhoud, zijn ook de syntax en de mogelijkheden tot een intutieve, informele interpretatie van modellen van groot belang voor de effectiviteit van het ontwerpen.
Quality-by-design
Om de kosten van het verifiren van de systeemeigenschappen achteraf te reduceren, is het van belang te zoeken naar ontwerpmethoden die de gewenste eigenschappen zoveel mogelijk via constructie garanderen. Dit betekent dat niet-functionele systeemeigenschappen zo vroeg mogelijk in het ontwerptraject moeten worden gemodelleerd en meegenomen. Dit betreft met name generieke aspecten als prestatie, betrouwbaarheid, veiligheid, energiezuinigheid, en dergelijke. Deze eigenschappen kunnen niet achteraf in een ontwerp worden afgedwongen, maar zijn afhankelijk van keuzes tijdens het hele ontwerptraject.
Generieke oplossingen en hergebruik
Voor de snelle en betrouwbare implementatie en realisatie van systemen is beschikbaarheid van bouwstenen met bewezen en gegarandeerde eigenschappen noodzakelijk. Voor hergebruik is het noodzakelijk dat deze bouwstenen voor toepassingen in verschillende contexten geschikt gemaakt kunnen worden. Met name voor software is het werken op basis van bouwstenen een relatief nieuwe ontwikkeling. De ontwikkeling van adapteerbare softwarecomponenten die bij compositie voorspelbare systeemeigenschappen induceren, zowel functioneel als niet-functioneel, is een belangrijk terrein van onderzoek. De juiste specificatie van systeem- en componentgedrag en van interfaces speelt hierbij een grote rol. Dit leidt tot vele nieuwe onderzoeksvragen rond technieken als specificatie en compositie van componenten, codegeneratie, generic programming en aspectgeorinteerd programmeren. Een bijzonder geval van hergebruik betreft het integreren van bestaande (legacy) software in nieuwe systemen. Technieken op het gebied van analyse en transformatie van broncode komen door deze systeembenadering in een nieuw licht te staan.
Ontwerpomgevingen
In alle gebieden van de CAD bestaat een grote behoefte aan krachtige (op software gebaseerde) gentegreerde ontwerpomgevingen voor modelleren, simuleren, analyseren, verfijnen, code genereren, testen, en visualiseren. Voor veel van deze functionaliteiten is de schaalbaarheid (beheersing van de complexiteit) een groot obstakel dat nieuwe, creatieve oplossingen vergt. Een ontwerpomgeving moet integrale ondersteuning bieden die geoptimaliseerd is voor een specifieke klasse van ontwerptaken. Waar mogelijk moet deze echter gebaseerd zijn op de ontwikkeling of het hergebruik van generieke, goed gefundeerde, tools.
Maatschappelijke toepassingen
Elk proces, systeem, dienst, of infrastructuur moet ontworpen en daarna gebouwd worden. De kwaliteit van een ontwerp is in grote mate afhankelijk van de intelligentie van de ontwerpende partij. Ondanks het vertrek van veel industrile capaciteit naar het Verre Oosten, blijft het bedenken en ontwerpen van systemen een vooraanstaande Europese activiteit. Dit is mede te danken aan de uitstekende wetenschappelijke en intellectuele infrastructuur die hier bestaat. Nederland kent een bijzonder actief bedrijfsleven op het gebied van de ontwerpkunde, in diverse gebieden: software engineering, embedded systemen, micro-elektronica, werktuigbouwkunde, civiele techniek, architectuur, transportsystemen en telecommunicatie. De problemen die in dit thema worden onderzocht zijn van direct belang voor deze sectoren van het bedrijfsleven.
Tevens wachten belangrijke maatschappelijke problemen op een ontwerpkundige benadering, zoals grote apparaten, bijvoorbeeld MRI-scanners, wafer steppers en printers (?High tech-systemen en materialen?), verkeersbegeleidingssystemen (?Mobiliteit?), het huis van de toekomst (?Zorg?), de 4G-telecommunicatie-infrastructuur, en de automatisering van diensten (?Financile dienstverlening en handel?).

ICT-disciplines

  • Algorithms and Computation Theory
  • Circuits and Systems
  • Design Automation
  • Embedded Systems
  • Engineering Management
  • Measurement and Evaluation
  • Programming Languages
  • Simulation and Modeling
  • Software Engineering

Sleutelreferenties

E.M. Clark, O. Grumberg, and D.A. Peled. Model Checking, MIT Press, Boston, 2001.
Th.H. Cormen, Ch.E. Leiserson, and R.L. Rivest. An Introduction to Algorithms, MIT Press, Boston, 1998.
J.L. Hennessy and D.A. Patterson. Computer Architecture: a Quantitative Approach, Morgan Kauffman, 1996.
W.J. Kolarik. Creating Quality, McGraw Hill, New York, 1995.
G. De Micheli. Synthesis and Optimization of Digital Circuits, McGraw Hill, New York, 1994.
F. Nielson, H. Riis Nielson, and C. Hankin. Principles of Program Analysis, Springer-Verlag, 1999.
J.C. van Vliet. Software Engineering, Principles and Practice, Wiley, Chichester, 2000.

Uitgelicht

Evenementen ICT

ICT.OPEN 2012

Stelling

Roadmap ICT

I/O Magazine

Uitgelicht

Evenementen ICT

ICT.OPEN 2012

Stelling

Roadmap ICT

I/O Magazine
01-01-2013
Russische universiteit zoekt Nederlandse partners in IT
17-12-2012
ICT Personality Award 2012
11-11-2012
Sentinels
Meer nieuws

10-04-2013
Sense of Contact 15
Activiteit toevoegen
Volledige kalender

ICT OPEN 2012


Lees verder

Wat is de grootste uitdaging?
Complexiteit
Maatschappelijke innovatie
Wetenschappelijke paradigma's
Voldoende gekwalificeerde wetenschappers

Resultaten stelling

Roadmap ICT topsectoren

Lees verder

I/O -december 2012

Lees verder