Model-based systems engineering: a system for traffic & environment

Abstract

The contemporary world is crowded of large, interdisciplinary, complex systems made of other systems, personnel, hardware, software, information, processes, and facilities. The Systems Engineering (SE) field proposes an integrated holistic approach to tackle these socio-technical systems that is crucial to take proper account of their multifaceted nature and numerous interrelationships, providing the means to enable their successful realization. Model-Based Systems Engineering (MBSE) is an emerging paradigm in the SE field and can be described as the formalized application of modelling principles, methods, languages, and tools to the entire lifecycle of those systems, enhancing communications and knowledge capture, shared understanding, improved design precision and integrity, better development traceability, and reduced development risks. This thesis is devoted to the application of the novel MBSE paradigm to the Urban Traffic & Environment domain. The proposed system, the GUILTE (Guiding Urban Intelligent Traffic & Environment), deals with a present-day real challenging problem “at the agenda” of world leaders, national governors, local authorities, research agencies, academia, and general public. The main purposes of the system are to provide an integrated development framework for the municipalities, and to support the (short-time and real-time) operations of the urban traffic through Intelligent Transportation Systems, highlighting two fundamental aspects: the evaluation of the related environmental impacts (in particular, the air pollution and the noise), and the dissemination of information to the citizens, endorsing their involvement and participation. These objectives are related with the high-level complex challenge of developing sustainable urban transportation networks. The development process of the GUILTE system is supported by a new methodology, the LITHE (Agile Systems Modelling Engineering), which aims to lightening the complexity and burdensome of the existing methodologies by emphasizing agile principles such as continuous communication, feedback, stakeholders involvement, short iterations and rapid response. These principles are accomplished through a universal and intuitive SE process, the SIMILAR process model (which was redefined at the light of the modern international standards), a lean MBSE method, and a coherent System Model developed through the benchmark graphical modeling languages SysML and OPDs/OPL. The main contributions of the work are, in their essence, models and can be settled as: a revised process model for the SE field, an agile methodology for MBSE development environments, a graphical tool to support the proposed methodology, and a System Model for the GUILTE system. The comprehensive literature reviews provided for the main scientific field of this research (SE/MBSE) and for the application domain (Traffic & Environment) can also be seen as a relevant contribution.

O mundo contemporâneo é caracterizado por sistemas de grande dimensão e de natureza marcadamente complexa, sócio-técnica e interdisciplinar. A Engenharia de Sistemas (ES) propõe uma abordagem holística e integrada para desenvolver tais sistemas, tendo em consideração a sua natureza multifacetada e as numerosas inter-relações que advêm de uma quantidade significativa de diferentes pontos de vista, competências, responsabilidades e interesses. A Engenharia de Sistemas Baseada em Modelos (ESBM) é um paradigma emergente na área da ES e pode ser descrito como a aplicação formal de princípios, métodos, linguagens e ferramentas de modelação ao ciclo de vida dos sistemas descritos. Espera-se que, na próxima década, a ESBM desempenhe um papel fundamental na prática da moderna Engenharia de Sistemas. Esta tese é dedicada à aplicação da ESBM a um desafio real que constitui uma preocupação do mundo actual, estando “na agenda” dos líderes mundiais, governantes nacionais, autoridades locais, agências de investigação, universidades e público em geral. O domínio de aplicação, o Tráfego & Ambiente, caracteriza-se por uma considerável complexidade e interdisciplinaridade, sendo representativo das áreas de interesse para a ES. Propõe-se um sistema (GUILTE) que visa dotar os municípios de um quadro de desenvolvimento integrado para adopção de Sistemas de Transporte Inteligentes e apoiar as suas operações de tráfego urbano, destacando dois aspectos fundamentais: a avaliação dos impactos ambientais associados (em especial, a poluição atmosférica e o ruído) e a divulgação de informação aos cidadãos, motivando o seu envolvimento e participação. Estes objectivos relacionam-se com o desafio mais abrangente de desenvolver redes de transporte urbano sustentáveis. O processo de desenvolvimento do sistema apoia-se numa nova metodologia (LITHE), mais ágil, que enfatiza os princípios de comunicação contínua, feedback, participação e envolvimento dos stakeholders, iterações curtas e resposta rápida. Estes princípios são concretizados através de um processo de ES universal e intuitivo (redefinido à luz dos padrões internacionais), de um método simples e de linguagens gráficas de modelação de referência (SysML e OPDs/OPL). As principais contribuições deste trabalho são, na sua essência, modelos: um modelo revisto para o processo da ES, uma metodologia ágil para ambientes de desenvolvimento baseados em modelos, uma ferramenta gráfica para suportar a metodologia proposta e o modelo de um sistema para as operações de tráfego & ambiente num contexto urbano. Contribui-se ainda com uma cuidada revisão bibliográfica para a principal área de investigação (ES/ESBM) e para o domínio de aplicação (Tráfego & Ambiente).