05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Situation based process monitoring in complex systems considering vagueness and uncertainty(2004) Rebolledo, Mario; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)History has demonstrated during the 20th century that industrial development carries hazards that should not be ignored because they endanger humans, the environment and production facilities. For this reason, continuous development of new production technologies should be accompanied by a comparable development in industrial safety technologies. Safety-critical applications in complex processes are usually based on a precise monitoring of operation conditions, according to a “correct” process operation. The problem is determining if a behavior or an operation condition is “correct”. For this, models are generally used, which are able of reproducing “safe” or “appropriate” process behaviors. The difficulty of precise modeling grows continuously, because of the increasing complexity of the supervised processes. Rigorous deterministic modeling is limited to simple processes, while approximate models based on statistics or Artificial Intelligence techniques, for example, must be restricted to modeling single variables or small subsystems to be manageable and deliver useful information. A monitoring technique usually employed for complex processes relies on abstraction of the process behavior in qualitative models by using symbolic value ranges to represent required information. However, also the applicability of qualitative modeling techniques is eventually restricted by the resulting model size. In this research work, a new process monitoring approach, based on qualitative models, efficiently depicts valuable vague and uncertain information that is currently discarded during the modeling. The proposed method expands the ability of Situation-based Qualitative Modeling and Analysis (SQMA) to monitor complex processes by integrating elements of the Rough Set Theory and Stochastic Qualitative Automata. The resulting models are considerably more precise than other similar-sized qualitative models. At the same time, the new method develops more compact and precise qualitative models than traditional qualitative models of the same precision.Item Open Access Entwicklung hybrider Komponentenmodelle zur Prozessüberwachung komplexer dynamischer Systeme(2004) Manz, Susanne; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Für die Automatisierung kontinuierlich-diskreter technischer Prozesse ist neben der Realisierung der Steuerungs- und Regelungsfunktionen auch die automatische Überwachung des bestimmungsgemäßen Betriebs von großer Bedeutung. In ingenieurtechnischen Anwendungen werden zur Prozessüberwachung und Diagnose häufig modellbasierte Lösungen mit dem Ziel betrachtet, eine möglichst genaue Beschreibung der betreffenden technischen Anlage zu erhalten. Jedoch ist besonders für komplexe dynamische Systeme das Aufstellen und Betreiben eines mathematischen Modells zur Online-Überwachung mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Aufgrund dieser Schwierigkeiten bieten sich für komplexe Systeme qualitative Modellierungsverfahren an. Bei diesen Verfahren müssen die inneren physikalischen Zusammenhänge nicht genau wiedergegeben werden, sondern die Modelle enthalten nur Situationen, in denen etwas „passiert“. Das qualitative Modell muss solche Situationen voneinander unterscheiden können. Eine Möglichkeit, diese Schwierigkeiten in den Griff zu bekommen, ist die Kombination von qualitativen und kontinuierlichen, so genannten hybriden Modellen. Im Rahmen des Forschungsthemas „Entwicklung hybrider Komponentenmodelle zur Prozessüberwachung komplexer dynamischer Systeme“ wurde das SQMD-Verfahren (Situation based Qualitative Monitoring and Diagnosis) entwickelt. Das Verfahren zeichnet sich durch eine einfache, streng komponentenorientierte Modellierung aus. Komponenten ohne Speicherwirkung des technischen Prozesses werden nur qualitativ modelliert. In diesem Fall ordnet der Modellierer jeder physikalischen Größe verschiedene Wertebereiche zu, die das ordnungsgemäße und das fehlerhafte Verhalten dieser Komponente qualitativ beschreiben. Die dynamische Beschreibung erfolgt nur für Komponenten mit Speicherwirkung und wird für die Abbildung des dynamischen Systemverhaltens im qualitativen Modell benötigt. Im Rahmen der Online-Überwachung werden innerhalb eines bestimmten Zeitfensters alle Komponenten miteinander verknüpft und der Zustandsraum reduziert. Dies erfolgt auf Basis der hybriden Komponentenmodelle, der Systemstruktur und der vom technischen Prozess eingehenden Sensor- und Aktordaten. Der reduzierte Zustandsraum kann auf eventuelles Fehlverhalten des technischen Prozesses untersucht werden. Die Durchführbarkeit des Konzepts wird am Modellprozess Drei-Tank-System demonstriert. Anschließend findet die Übertragung auf ein reales System, die Überwachung der aero- und gasdynamischen Prozesse im Kohlebergwerk, statt.Item Open Access Validierung komponentenbasierter Software für Echtzeitsysteme(2003) Fleisch, Wolfgang; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Der Anteil und die Bedeutung von Software bei der Entwicklung von Echtzeitsystemen wächst sehr stark. Gleichzeitig werden die Entwicklungszyklen für Software-Produkte zunehmend kürzer, was sich immer häufiger in ausgelieferter fehlerhafter Software widerspiegelt. Durch die Verwendung vorgefertigter Software-Komponenten kann nach dem Baukastenprinzip bei der Konstruktion neuer Produkte die Produktivität und die Qualität erheblich gesteigert werden. Aber auch wenn durch den Einsatz geprüfter, betriebsbewährter Software-Komponenten viele Fehler vermieden werden, muss eine aus Komponenten zusammengesetzte Software auch in Zukunft mit geeigneten Prüfverfahren validiert werden, weil beim Zusammenspiel der Komponenten weiterhin Fehler entstehen können. In der vorliegenden Arbeit wird dazu ein Prüfverfahren zur Validierung komponentenbasierter Software für Echtzeitsysteme entwickelt, das das dynamische Verhalten von komponentenbasierter Software gegenüber den Anforderungen aus Anwendersicht überprüft. Die Anforderungen werden zu Beginn der komponentenbasierten Softwareentwicklung als Anwendungsfälle spezifiziert. Mit Hilfe von erweiterten UML Sequenzdiagrammen werden die Anwendungsfälle systematisch in eine formale, automatisiert prüfbare Notation überführt, die auch die Spezifikation von Echtzeitanforderungen explizit unterstützt. Da beim Entwurf von komponentenbasierter Software bereits vollständig spezifizierte Software-Komponenten verwendet werden, kann das Verhalten schon in der frühen Entwurfsphase mit Hilfe von Simulation validiert werden. Die Verwendung von Simulation hat den Vorteil, dass auch ohne die in der Praxis meist spät verfügbaren Bestandteile des technischen Prozesses und des Automatisierungsrechnersystems eine Prüfung des simulierten Verhaltens der komponentenbasierten Software durchgeführt werden kann. Anhand festgelegter Prüfkriterien wird dann das simulierte Verhalten der komponentenbasierten Software gegenüber dem in den Anwendungsfällen spezifizierten Verhalten geprüft, um damit frühzeitig Fehler aufzudecken. Eine im Rahmen der Arbeit realisierte Validierungsumgebung unterstützt den Softwareentwickler dabei umfassend, angefangen bei der Spezifikation von prüfbaren Anwendungsfällen, bis hin zur automatisierten Prüfung des simulierten Verhaltens. Die Leistungsfähigkeit des Prüfverfahrens und der Validierungsumgebung werden abschließend am Beispiel der Entwicklung und Validierung einer komponentenbasierten Software für eine Kfz-Scheibenwischeranlage demonstriert.Item Open Access Flexible web-based management of components for industrial automation(2002) Lucena, Vicente Ferreira de; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)The development of applications based on elementary components is one of the oldest known engineering approaches. Such a procedure is well practiced, for example, in the hardware electronics industry and has been applied more and more in other domains. In the last years software components have been adopted as a meaningful solution for the construction of larger software applications improving the development productivity and improving the quality of the final products. But the more components that are available the more difficult is the proper management of those components and consequently more difficult is the proper choice of the most suitable one for solving a specific task. This thesis deals with this problem and proposes a systematic way of managing components. How to store components properly is investigated and later on how to find, understand and decide about the reuse of the most appropriate component. This thesis was centered in the industrial automation domain and a study of the most relevant characteristics of that domain was done. There is no common standardized model available for representing software components used in the industrial automation domain mainly because of the great amount of quite different component technologies being used in that domain. In fact, it is not possible to summarize all of them in only one model. The problem faced was to propose a way of constructing a repository able to deal with those technologies together and be able to represent the technical details of each one of them properly. The proposed solution involves a flexible representation for the components that consists of two parts, the first one with the common information for every component technology involved, and the second one where the specificity of each component technology is summarized. Additionally, through the systematic management process proposed, recently developed components are published before being used, and component users are conducted during the search for desired components. A prototypic tool for the management of components was constructed using technologies associated with the Internet. The necessary flexibility of the component management system was obtained through the representation of the specificity of each component technology with the eXtended Markup Language (XML) and associated technologies. In the example presented, different component technologies like JavaBeans and ViPER are successfully managed together.Item Open Access Komponentenbasierte Softwareentwicklung für sicherheitskritische eingebettete Systeme(2003) Gunzert, Michael; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Eingebettete Systeme, wie Antiblockiersysteme oder Motorsteuerungen dringen immer mehr in sicherheitskritische Anwendungsbereiche vor. Die Systeme werden zunehmend verteilt und untereinander vernetzt. Die Software in diesen Systemen gewinnt sehr stark an Bedeutung und wird gleichzeitig immer umfangreicher und komplexer. Es werden daher neue Methoden und Verfahren benötigt, um diese Komplexität zu beherrschen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Konzeption für die komponentenbasierte Softwareentwicklung für sicherheitskritische eingebettete Systeme. Dabei wurden zuerst die Eigenschaften von sicherheitskritischen eingebetteten Systemen untersucht. Daraus wurden Anforderungen an die Konzeption abgeleitet. Zusätzlich wurden Anforderungen an die komponentenbasierte Entwicklung definiert. In der anschließenden Untersuchung zum Stand der Technik wurden Methoden und Werkzeuge analysiert und bewertet, die eine komponentenbasierte Softwareentwicklung oder eine formale Verifikation der Software ermöglichen. Die gestellten Anforderungen konnten dabei jeweils nur teilweise erfüllt werden. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde festgestellt, dass sich ein synchrones, zeitgesteuertes Ausführungsmodell sehr gut eignet, um die Anforderungen erfüllen zu können. Deshalb wurden dann der synchrone Ansatz reaktiver Systeme und eine zeitgesteuerte Architektur für verteilte Systeme näher untersucht. Außerdem wurde die Model-Checking Technologie für die Verifikation von Sicherheitseigenschaften ausgewählt. All diese Technologien bilden die Grundlage für die entwickelte Konzeption. Auf der Basis des sychronen Modells wurde dann ein Komponentenmodell für synchrone Softwarekomponenten definiert. Dieses besteht aus einem reaktiven Teil und einem Datenverarbeitungsteil. Das Verhalten der Komponente wird durch den reaktiven Teil bestimmt, der die Datenverarbeitung steuert und ein deterministisches Verhalten aufweist. Es wurde ein Konzept für die komponentenbasierte Entwicklung mit synchronen Softwarekomponenten entwickelt. Der Entwurf der Software erfolgt dabei in einem Entwurfsmodell auf graphischer Ebene. Dabei definiert der Applikationsentwickler Baugruppen als funktionale Einheiten. Diese Baugruppen werden schrittweise weiter verfeinert, bis sie sich durch die vorhandenen Komponenten realisieren lassen. Die Softwarekomponenten können dazu aus einer Bibliothek ausgewählt, parametriert und durch Signale miteinander verbunden werden. Aus dem komponentenbasierten Entwurf kann durch automatische Codegenerierung direkt ablauffähiger Code erzeugt werden. Durch das synchrone Zeitmodell und die formale Semantik der verwendeten Sprache ESTEREL ist eine formale Verifikation von Sicherheitseigenschaften möglich. Damit kann nachgewiesen werden, dass die Software bestimmte sicherheitskritische Anforderungen erfüllt und somit das Vertrauen in die Software erhöht werden. Die Verifikation erfolgt dabei vollautomatisch durch Model-Checking. Zur Evaluierung der entwickelten Konzeption wurde eine Werkzeugumgebung entworfen und prototypisch implementiert. Die Werkzeugumgebung ViPER (Visual Programming Environment for Embedded Real-Time Systems) erlaubt die Entwicklung verteilter eingebetteter Systeme mit synchronen Softwarekomponenten. Das entwickelte Konzept wurde an zwei Beispielen aus der Automobilforschung erprobt. Das erste Beispiel ist ein einfaches Steer-by-Wire System. Dabei wurde die mechanische Lenkung eines Go-Kart durch eine elektronische Lenkung ersetzt. Bei dem zweiten Beispiel handelt es sich um Software für einen Prototypen eines Brake-by-Wire Systems, das bei der DaimlerChrysler Forschung entwickelt wurde. Dabei konnte eine Reihe von Sicherheitseigenschaften der Software nachgewiesen werden.Item Open Access Adaptive Internetanbindung von Feldbussystemen(2005) Eberle, Stephan; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Feldbusse sind spezialisierte Netzwerke, um automatisierungstechnische Geräte wie Sensoren, Aktoren und Steuerungen miteinander zu verbinden. In der letzten Zeit wird immer mehr nach Möglichkeiten gesucht, um mit Hilfe des Internets von entfernten Orten aus an Informationen zu gelangen, die in feldbusvernetzten Systemen verarbeitet werden. Die Verfügbarkeit dieser Informationen verleihen Teleservices, wie z.B. der Ferndiagnose, oder der vertikalen Integration automatisierungstechnischer Anlagen mit kaufmännischen Geschäftsbereichen von Unternehmen einen enormen Auftrieb und versprechen Effizienzsteigerungen und Kosteneinsparungen beträchtlichen Ausmaßes. Nichtsdestotrotz erweist sich die fehlende Interoperabilität zwischen Feldbussystemen und darauf zugreifenden Softwarewerkzeugen und -anwendungen nach wie vor als schwer überwindbares Hindernis. Dass zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten standardisierte Anwendungsschnittstellen und Datenaustauschformate notwendig sind, darüber ist man sich weitgehend einig. Die Meinungen über deren Gestaltung liegen jedoch weit auseinander und trotz zahlloser Anstrengungen ist keine Einigung absehbar. Mit der adaptiven Internetanbindung von Feldbussystemen wird die Frage der Interoperabilität von Feldbussystemen und -werkzeugen aus einer völlig neuen Richtung angegangen. Nicht der Anwender soll gezwungen sein, sich nach den Begebenheiten des Feldbussystems zu richten. Stattdessen soll die Technik, sprich das Feldbussystem, in die Lage versetzt werden, sich in flexibler Weise an die jeweilige Werkzeuginfrastruktur des Anwenders anzupassen. Die Verwirklichung dieser Idee erfolgt mit Hilfe von Transformationsvorschriften, die an einem bekannten Ort im Internet bereitgestellt werden. Sobald ein Feldbuswerkzeug und -system miteinander in Verbindung treten, werden die zwischen ihnen ausgetauschten Nachrichten mit Hilfe der passenden Transformationsvorschrift übersetzt, sodass sie von der jeweiligen Gegenseite verstanden und ordnungsgemäß verarbeitet werden können. Auf diese Weise kann die Interoperabilität von Feldbussystemen und -werkzeugen erstmals auch dann hergestellt werden, wenn keine einheitliche Form des Informationsaustausches vereinbart werden kann und beide Seiten im herkömmlichen Sinne inkompatibel sind.Item Open Access Entwicklung eines Systems zur elektrischen Energieanalyse eines Waschtrockners(2011) Tchuisseu, Mireille LaureAutomatisierte Systeme werden heute in vielen Bereichen des täglichen Lebens eingesetzt, aber die Hauptfrage bei den Nutzern dieser Systeme ist, wie man die Energiekosten reduzieren kann. Durch die Optimierung der Parameter der automatisierten Systeme, lassen sich deren Energiekosten senken. Am IAS wird ein Ansatz zur modellbasierten nutzerorientierten Energiekostenanalyse erforscht. Ziel dieser Arbeit war es, auf Basis dieses Ansatzes, ein System zur elektrischen Energieanalyse eines Waschtrockners zu entwickeln und prototypisch umzusetzen. Nach Recherche der für die Energieanalyse des Waschtrockners erforderlichen Informationen wurde in der Arbeit zunächst ein Simulationsmodell eines Waschtrockners konzipiert, mit dem die Energiekosten eines Waschtrockners berechnet werden können. Auf dieser Basis wurde das System zur elektrischen Energieanalyse konzipiert. Mittelpunkt des Systems ist ein Optimierungsalgorithmus, mit dem Energieoptimierungsvorschläge auf Basis von modellbasiertem Wissen automatisiert generiert werden können. Das Konzept wurde schließlich prototypisch in MATLAB umgesetzt. Mit dem realisierten System ist es nun möglich eine Energieanalyse mit verschiedenen Parameterwerten durchzuführen. Durch die Optimierungsvorschläge, die generiert werden, werden dem Nutzer Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt, die bei entsprechender Kommunikationsanbindung automatisch am Waschtrockner umgesetzt werden können und somit zur Reduzierung der Energiekosten führen.