While there is a growing recognition of the importance of System of Systems (SoS), there is still little agreement on just what they are or on by what principles they should be constructed. Actually, there are numerous SoS definitions in the literature. The difficulty in specifying what are the constituent systems, what they are supposed to do, and how they are going to do it frequently lead SoS initiatives to complete failures. Guided by a sample SoS that comprises all the distinguishing SoS characteristics and a generic SoS Engineering (SoSE) process, this thesis explores the SoS development from different Software Engineering (SE) perspectives that include requirements, analysis, design, and reengineering. For the Requirements Engineering (RE), we propose a scene-based RE approach to describe the SoS progressively as an arrangement of elementary but meaningful related behaviors named scenes. The objective is making easier the description and the understanding of the SoS dynamism. For the analysis, we propose extensions to statecharts to visually improve the modeling of systems interactions. They are symbolic notations that result from an analogy with multi-layer Printed Circuit Boards (PCB). The resulting diagrams are named PCBstatecharts. For the design, we propose an extension to the conventional SPLE process in such a way that SPL can become a natural source of SoS members. Domain engineering is extended to deliver components able to share abilities in SoS environments. Then, application engineers can design families of products that comply with different SoS requirements and still improve their products using the abilities of other SoS members. For the reengineering, we propose an approach extension to evolve legacy systems to SPL and then to SoS members. We demonstrate that when legacy systems are reengineered properly, they can share useful abilities, work cooperatively, and compose SoS / Apesar do crescente reconheciimento da importância de Sistemas de Sistemas (SoS) ainda não há um consenso sobre o que eles são um para que princípios devem ser construídos. De fato, existem várias definições de SoS na literatura. A dificuldade de especificar quais são os sistemas constituintes, as suas tarefas e como eles irão realizá-las frequentemente conduzem iniciativas de SoS ao completo fracasso. Guiados por um exemplo que inclui todas as características distintas de um SoS e um processo genérico de engenharia de SoS (SoSE), esta tese explora o desenvolvimento de SoS a partir de diferentes perspectivas da engenharia de software (SE), que incluem requisitos, análise, projeto e reengenharia. Para a engenharia de requisitos (RE) é proposta uma abordagem para descrever progressivamente um SoS como um arranjo de comportamentos mais simples, porém significativos, denominados \'cenas\'. O objetivo é facilitar a descrição e o entendimento do SoS e seu dinamismo. Para a análise, propõe-se as extensões de statecharts para melhorar a modelagem das interações entre sistemas. Elas são notações simbólicas que resultam de uma analogia com placas de circuito impresso multi camadas (PCB). Os diagramas resultantes são denominados PCB-statecharts. Para o projeto, é proposta uma extensão para o processo convencional de engenharia de linha de produtos (SPLE), de tal forma que linhas de produto (SPL) possam se tornar uma fonte natural de membros para SoS. A engenharia de domínio é estendida para prover componentes capazes de compartilhar habilidades em ambientes de SoS. Desta forma, engenheiros de aplicação podem projetar famílias de produtos complacentes com diferentes requisitos de SoS e ainda melhorar seus produtos usando habilidades de outros membros de um SoS. Para a reengenharia propõe-se extensão de uma abordagem existente para evoluir legados para SPL e depois para membros de um SoS. O objetivo é demonstrar que quando sistemas legados são tratados apropriadamente, eles podem compartilhar habilidades úteis, trabalhar de maneira cooperativa e compor SoS

Population ageing has been taking place all over the world, being estimated that 2.1 billion people will be aged 60 or over in 2050. Healthcare Supportive Home (HSH) Systems have been proposed to overcome the high demand of remote home care for assisting an increasing number of elderly people living alone. Since a heterogeneous team of healthcare professionals need to collaborate to continually monitor health status of chronic patients, a cooperation of pre-existing e-Health systems, both outside and inside home, is required. However, current HSH solutions are proprietary, monolithic, high coupled, and expensive, and most of them do not consider their interoperation neither with distributed and external e-Health systems, nor with systems running inside the home (e.g., companion robots or activity monitors). These systems are sometimes designed based on local legislations, specific health system configurations (e.g., public, private or mixed), care plan protocols, and technological settings available; therefore, their reusability in other contexts is sometimes limited. As a consequence, these systems provide a limited view of patient health status, are difficult to evolve regarding the evolution of patients health profile, do not allow continuous patients monitoring, and present limitations to support the self-management of multiple chronic conditions. To contribute to solve the aforementioned challenges, this thesis establishes HomecARe, a reference architecture for supporting the development of quality HSH systems. HomecARe considers HSH systems as Systems-of-Systems (SoS) (i.e., large, complex systems composed of heterogeneous, distributed, and operational and managerial independent systems), which achieve their missions (e.g., improvement of patients quality of life) through the behavior that emerges as result of collaborations among their constituents. To establish HomecARe, a systematic process to engineer reference architectures was adopted. As a result, HomecARe presents domain knowledge and architectural solutions (i.e., architectural patterns and tactics) described using conceptual, mission, and quality architectural viewpoints. To assess HomecARe, a case study was performed by instantiating HomecARe to design the software architecture of DiaManT@Home, a HSH system to assist at home patients suffering of diabetes mellitus. Results evidenced HomecARe is a viable reference architecture to guide the development of reusable, interoperable, reliable, secure, and adaptive HSH systems, bringing important contributions for the areas of e-Health, software architecture, and reference architecture for SoS. / O envelhecimento da população é um fenômeno mundial e estima-se que no ano 2050, 2,1 bilhões de pessoas terão 60 anos ou mais. Sistemas de casas inteligentes para o cuidado da saúde (em inglês Healthcare Supportive Home - HSH systems) têm sido propostos para atender a alta demanda de serviços de monitoramento contínuo do número cada vez maior de pacientes que vivem sozinhos em suas residências. Considerando que o monitoramento do estado de saúde de pacientes crônicos requer a colaboração de equipes formadas por profissionais de várias especialidades, é fundamental que haja cooperação entre sistemas eletrônicos de saúde (por exemplo, sistemas de prontuário eletrônico ou sistemas de atenção de emergência), sendo eles externos ou internos à residência. Entretanto, as soluções de HSH existentes são comerciais, monolíticas, altamente acopladas e de alto custo. A maioria delas não considera a interoperabilidade entre sistemas distribuídos e exteriores ou internos à residência dos pacientes, como é o caso de robôs de companhia e monitores de atividade. Além disso, os sistemas de HSH muitas vezes são projetados com base em legislações locais, na estrutura do sistema de saúde (por exemplo, público, privado ou misto), nos planos de cuidados nacionais e nos recursos tecnológicos disponíveis; portanto, a reusabilidade desses sistemas em outros contextos é não é uma tarefa trivial. Em consequência, os sistemas de HSH existentes oferecem uma visão restrita do estado de saúde do paciente, são difíceis de evoluir acompanhando as mudanças no perfil de saúde do paciente, impossibilitando assim seu monitoramento contínuo e limitando o suporte para o paciente na autogestão de suas múltiplas condições crônicas. Visando contribuir na resolução dos desafios apresentados, esta tese estabelece a HomecARe, uma arquitetura de referência para apoiar o desenvolvimento de sistemas de HSH de qualidade. A HomecARe considera os sistemas de HSH como Sistemas-de-Sistemas (do inglês Systems-of-Systems - SoS) (ou seja, sistemas grandes e complexos formados por outros sistemas heterogêneos, distribuídos e que apresentam independência em seu gerenciamento e operação), que cumprem suas missões (por exemplo, melhoria da qualidade de vida do paciente) mediante o comportamento que emerge resultante da colaborações entre seus sistemas constituintes. Para estabelecer a HomecARe, foi adotado um processo sistemático que apoia a engenharia de arquiteturas de referência. Como resultado, a HomecARe contém o conhecimento do domínio, bem como soluções arquiteturais (por exemplo, padrões arquiteturais e táticas) que são descritas usando os pontos de vista conceitual, de missão e de qualidade. A HomecARe foi avaliada por meio da condução de um estudo de caso em que a arquitetura de referência foi instanciada para projetar o DiaManT@Home, um sistema de HSH que visa apoiar pacientes diagnosticados com diabetes mellitus na autogestão de sua doença. Os resultados obtidos evidenciaram que a HomecARe é uma arquitetura de referência viável para guiar o desenvolvimento de sistemas de HSH reusáveis, interoperáveis, confiáveis, seguros e adaptativos, trazendo importantes contribuições nas áreas de saúde eletrônica, arquitetura de software e arquiteturas de referência para SoS.

Submitted by PPG Ci?ncia da Computa??o (ppgcc@pucrs.br) on 2018-06-26T11:05:37Z No. of bitstreams: 1 MATEUS_PRESOTTO_BALEN_DIS.pdf: 1919889 bytes, checksum: 44d920fb6535d287fb71793205e67ca4 (MD5) / Approved for entry into archive by Sheila Dias (sheila.dias@pucrs.br) on 2018-07-02T11:52:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 MATEUS_PRESOTTO_BALEN_DIS.pdf: 1919889 bytes, checksum: 44d920fb6535d287fb71793205e67ca4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-02T12:08:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MATEUS_PRESOTTO_BALEN_DIS.pdf: 1919889 bytes, checksum: 44d920fb6535d287fb71793205e67ca4 (MD5) Previous issue date: 2018-03-12 / Software systems have become larger and more complex with considerable dissemination in many industries. Due to the need to become more comprehensive, eventually, operationally and managerially independent systems tend to interoperate with themselves. This integration between independent systems with evolutionary nature and geographically distributed results a class of systems called System-of-Systems. Considering that the architeture of software defines a base structure of a system and the engineering of requirements identifieds the necessary functionalities for a system, these activities are essential for any system, as a consequence, the identification of the stakeholders of a system becomes a primordial activity to elicit the necessary requirements and consequently build the system with the expected functionalities. This study preesents a process and a model for the identification of the main stakeholders of Acknowledged System-of-Systems with the objective of minimizing the problems caused in the definitions of requirements system and software architecture in thus category system. / Sistemas de software t?m se tornado maiores e mais complexos com consider?vel dissemina??o em muitas ?reas. Devido ? necessidade de se tornarem mais abrangentes, eventualmente, os sistemas operacionalmente e gerencialmente independentes tendem a interoperar entre eles. Esta integra??o entre sistemas independentes com natureza evolutiva e geograficamente distribu?do resulta uma classe de sistemas chamada Sistema-de-Sistemas. Uma vez que a Arquitetura de Software define a estrutura base de um sistema e a Engenharia de Requisitos identifica as funcionalidades necess?rias para um sistema, entende-se que essas atividades s?o essenciais para qualquer sistema, assim tornando a identifica??o dos stakeholders de um sistema uma atividade primordial para elicitar os requisitos necess?rios e, consequentemente, construir o sistema com as funcionalidades esperadas. Esta disserta??o apresenta um processo e um modelo para a identifica??o dos principais stakeholders de Sistema-de-Sistemas Acknowledged com o intuito de minimizar os problemas causados nas defini??es dos requisitos do sistema e da arquitetura de software por desconhecer os principais stakeholders.

Submitted by Maria Aparecida (cidazen@gmail.com) on 2017-04-17T12:44:32Z No. of bitstreams: 1 Hugo Alves Velozo.pdf: 5196080 bytes, checksum: 14e9edcc07c0256cf726b1d0f7eb9a02 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-17T12:44:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Hugo Alves Velozo.pdf: 5196080 bytes, checksum: 14e9edcc07c0256cf726b1d0f7eb9a02 (MD5) Previous issue date: 2017-02-20 / CAPES / Most methods of identifcation of closed-loop dynamic systems are developed for linear and deterministic systems. However, most closed loop systems are nonlinear dynamic systems. In addition, such systems are subject to stochastic perturbations. Considering this problem, this work presents a methodology for the identifcation of closed loop stochastic nonlinear systems. For this purpose, the proposed methodology uses a local approach to identify nonlinear dynamic systems, that is, a set of Box-Jenkins local models are used to identify the dynamics of the nonlinear system. In this work, the nonlinear system is modeled through a Takagi-Sugeno fuzzy inference system, where the parameters of the antecedent of the fuzzy rules are estimated with the fuzzy clustering algorithm GustafsonKessel and the consequent Box-Jenkins model parameters are estimated with the fuzzy fuzzy RIV (Refned Instrumental Variable) and fuzzy IVARMA (Instrumental Variable ARMA) algorithms. The proposed method is applied in the identifcation of a closed-loop nonlinear thermal plant. / A maioria dos métodos de identifcação de sistemas dinâmicos em malha fechada são desenvolvidos para sistemas lineares e determinísticos. Entretanto, a maioria dos sistemas operando em malha fechada são sistemas dinâmicos não lineares. Além disso, esses sistemas estão sujeitos a perturbações de natureza estocástica. Considerando essa problemática, este trabalho apresenta uma metodologia para identifcação de sistemas não lineares estocásticos em malha fechada. Para isso, a metodologia proposta utiliza uma abordagem local de identifcação de sistemas dinâmicos não lineares, ou seja, um conjunto de modelos locais Box-Jenkins são utilizados para identifcar a dinâmica do sistema não linear. Neste trabalho, o sistema não linear é modelado por meio de um sistema de inferência fuzzy Takagi-Sugeno, onde os parâmetros do antecedente das regras fuzzy são estimados com o algoritmo de agrupamento fuzzy Gustafson-Kessel e o parâmetros do modelo Box-Jenkins do consequente são estimados com os algoritmos RIV (Refned Instrumental Variable) fuzzy e IVARMA (Instrumental Variable ARMA) fuzzy. O método proposto é aplicado na identifcação de uma planta térmica não linear em malha fechada.

Population ageing has been taking place all over the world, being estimated that 2.1 billion people will be aged 60 or over in 2050. Healthcare Supportive Home (HSH) Systems have been proposed to overcome the high demand of remote home care for assisting an increasing number of elderly people living alone. Since a heterogeneous team of healthcare professionals need to collaborate to continually monitor health status of chronic patients, a cooperation of pre-existing e-Health systems, both outside and inside home, is required. However, current HSH solutions are proprietary, monolithic, high coupled, and expensive, and most of them do not consider their interoperation neither with distributed and external e-Health systems, nor with systems running inside the home (e.g., companion robots or activity monitors). These systems are sometimes designed based on local legislations, specific health system configurations (e.g., public, private or mixed), care plan protocols, and technological settings available; therefore, their reusability in other contexts is sometimes limited. As a consequence, these systems provide a limited view of patient health status, are difficult to evolve regarding the evolution of patients health profile, do not allow continuous patients monitoring, and present limitations to support the self-management of multiple chronic conditions. To contribute to solve the aforementioned challenges, this thesis establishes HomecARe, a reference architecture for supporting the development of quality HSH systems. HomecARe considers HSH systems as Systems-of-Systems (SoS) (i.e., large, complex systems composed of heterogeneous, distributed, and operational and managerial independent systems), which achieve their missions (e.g., improvement of patients quality of life) through the behavior that emerges as result of collaborations among their constituents. To establish HomecARe, a systematic process to engineer reference architectures was adopted. As a result, HomecARe presents domain knowledge and architectural solutions (i.e., architectural patterns and tactics) described using conceptual, mission, and quality architectural viewpoints. To assess HomecARe, a case study was performed by instantiating HomecARe to design the software architecture of DiaManT@Home, a HSH system to assist at home patients suffering of diabetes mellitus. Results evidenced HomecARe is a viable reference architecture to guide the development of reusable, interoperable, reliable, secure, and adaptive HSH systems, bringing important contributions for the areas of e-Health, software architecture, and reference architecture for SoS. / O envelhecimento da população é um fenômeno mundial e estima-se que no ano 2050, 2,1 bilhões de pessoas terão 60 anos ou mais. Sistemas de casas inteligentes para o cuidado da saúde (em inglês Healthcare Supportive Home - HSH systems) têm sido propostos para atender a alta demanda de serviços de monitoramento contínuo do número cada vez maior de pacientes que vivem sozinhos em suas residências. Considerando que o monitoramento do estado de saúde de pacientes crônicos requer a colaboração de equipes formadas por profissionais de várias especialidades, é fundamental que haja cooperação entre sistemas eletrônicos de saúde (por exemplo, sistemas de prontuário eletrônico ou sistemas de atenção de emergência), sendo eles externos ou internos à residência. Entretanto, as soluções de HSH existentes são comerciais, monolíticas, altamente acopladas e de alto custo. A maioria delas não considera a interoperabilidade entre sistemas distribuídos e exteriores ou internos à residência dos pacientes, como é o caso de robôs de companhia e monitores de atividade. Além disso, os sistemas de HSH muitas vezes são projetados com base em legislações locais, na estrutura do sistema de saúde (por exemplo, público, privado ou misto), nos planos de cuidados nacionais e nos recursos tecnológicos disponíveis; portanto, a reusabilidade desses sistemas em outros contextos é não é uma tarefa trivial. Em consequência, os sistemas de HSH existentes oferecem uma visão restrita do estado de saúde do paciente, são difíceis de evoluir acompanhando as mudanças no perfil de saúde do paciente, impossibilitando assim seu monitoramento contínuo e limitando o suporte para o paciente na autogestão de suas múltiplas condições crônicas. Visando contribuir na resolução dos desafios apresentados, esta tese estabelece a HomecARe, uma arquitetura de referência para apoiar o desenvolvimento de sistemas de HSH de qualidade. A HomecARe considera os sistemas de HSH como Sistemas-de-Sistemas (do inglês Systems-of-Systems - SoS) (ou seja, sistemas grandes e complexos formados por outros sistemas heterogêneos, distribuídos e que apresentam independência em seu gerenciamento e operação), que cumprem suas missões (por exemplo, melhoria da qualidade de vida do paciente) mediante o comportamento que emerge resultante da colaborações entre seus sistemas constituintes. Para estabelecer a HomecARe, foi adotado um processo sistemático que apoia a engenharia de arquiteturas de referência. Como resultado, a HomecARe contém o conhecimento do domínio, bem como soluções arquiteturais (por exemplo, padrões arquiteturais e táticas) que são descritas usando os pontos de vista conceitual, de missão e de qualidade. A HomecARe foi avaliada por meio da condução de um estudo de caso em que a arquitetura de referência foi instanciada para projetar o DiaManT@Home, um sistema de HSH que visa apoiar pacientes diagnosticados com diabetes mellitus na autogestão de sua doença. Os resultados obtidos evidenciaram que a HomecARe é uma arquitetura de referência viável para guiar o desenvolvimento de sistemas de HSH reusáveis, interoperáveis, confiáveis, seguros e adaptativos, trazendo importantes contribuições nas áreas de saúde eletrônica, arquitetura de software e arquiteturas de referência para SoS.