05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Entwicklung und Analyse zeitgesteuerter Systeme(2002) Ringler, Thomas Karl; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Zeitgesteuerte Architekturen versprechen aufgrund ihrer deterministischen Eigenschaften die Anforderungen zukünftiger By-Wire-Systeme in Automobilen zu erfüllen. Im Vergleich zu herkömmlichen ereignisgesteuerten Architekturen benötigen sie jedoch einen erheblich höheren Entwicklungsaufwand und erfordern deshalb neue Verfahren und Werkzeugkonzepte. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Entwicklung und Analyse zeitgesteuerter Systeme erarbeitet. Aktivitäten zur Entwicklung zeitgesteuerter Systeme werden identifiziert und in den etablierten Entwicklungsprozess der Automobilindustrie eingegliedert. In den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses erfolgt die Planung des zeitlichen Ablaufs im verteilten System. In den späten Phasen wird durch die Zeitanalyse nachgewiesen, dass die implementierten Programme geplante Zeitbedingungen stets einhalten. Die Bestimmung der maximalen Ausführungszeit von Programmen durch die Worst-Case-Execution-Time-Analyse (WCET-Analyse) ist hierfür die Grundlage und bildet den Schwerpunkt der Arbeit. Dem aktuellen Trend in der Automobilindustrie Software modellbasiert zu erstellen wird Rechnung getragen, indem ein Konzept der modellbasierten WCET-Analyse entwickelt wird. Die Analyse der erstellten Modelle wird dadurch ohne die Angabe zusätzlicher Informationen durch den Anwender möglich. Dazu werden aus den Modellen heraus Informationen über das Ausführungsverhalten des Codes gewonnen. Die Übertragbarkeit des Konzepts wird aufgezeigt, indem es bei den zwei unterschiedlichen Software-Entwicklungswerkzeugen ViPER und MATLAB/Simulink/Stateflow angewandt wird. Zum praktischen Nachweis des erstellten Konzepts wird eine Werkzeugumgebung entwickelt. Anhand eines Steer-by-Wire-Fallbeispiels wird die Anwendbarkeit des Konzepts aufgezeigt. Durch die grafische Spezifikation des zeitlichen Ablaufs wird die Entwicklung verteilter regelungstechnischer Anwendungen unterstützt. Die integrierte WCET-Analyse für den in der Automobilindustrie weit verbreiteten Siemens 80C167 Mikrocontroller erfolgt voll automatisiert und bietet dem Anwender wichtige Informationen für den modellbasierten Softwareentwurf.Item Open Access Computer-aided safety analysis of computer-controlled systems : a case example(2000) Biegert, UweComputer controlled systems consist of a complex interaction between technical process, human task and software. For the development of safety critical systems new method are required, which not only consider one of these parts of a computer-controlled system. In this paper a qualitative modeling method is presented. The method is called SQMA, Situationbased Qualitative Modeling and Analysis and it origin goes back to Qualitative Reasoning. First, all parts of a system are modeled separated and then combined to a unique model of a computer-controlled system. With this qualitative model a computer supported hazard analysis can be realised.Item Open Access Process model for the development of system requirements specifications for railway systems(2002) Bitsch, FriedemannIn this paper a process model for the development of system requirements specifications for railway systems is introduced. Demands of the approval of system requirements specifications, which arise from recent European railway standards, are taken into account. The aim is to obtain a system specification, which is unambiguous and easy to understand for all parties involved and in which safety aspects are considered in detail. Correlations between the development of a precise system specification, the performance of safety relevant correctness checks and the performance of risk analysis are presented. Especially the identification, specification and formalisation of safety requirements are treated with regard to correctness checks referred to safety aspects by using model checking. It is also demonstrated how different techniques of risk analysis can be supported by a system model in diagrams of the Unified Modelling Language (UML). This work has been developed in close co-operation with the Institute of Railway Systems Engineering and Traffic Safety (IfEV), Technical University of Braunschweig, Germany within the scope of the project SafeRail (see http://www.ias.uni-stuttgart.de/projekte/saferail/).Item Open Access Ganzheitliche modellbasierte Sicherheitsanalyse von Prozessautomatisierungssystemen(2003) Biegert, Uwe; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Der Betrieb von Prozessautomatisierungssystemen ist immer mit einem gewissen Risiko verbunden. Ein Prozessautomatisierungssystem gilt dann als sicher, wenn das vorhandene Risiko zu keiner Zeit ein so genanntes Grenzrisiko überschreitet. Wird das Grenzrisiko überschritten, so droht Menschen und Umwelt unmittelbar ein Schaden. Mit Hilfe von Sicherheitsanalysen kann das vorhandene Risiko untersucht und abgeschätzt werden. Klassische Sicherheitsanalysen betrachten in der Regel nur einzelne Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems, welches aber im Allgemeinen aus drei verschiedenen Bestandteilen besteht: dem technischen System, dem Rechnersystem und dem Bedienpersonal. Was passiert aber, falls im technischen System ein Bauelement ausfällt, die Automatisierungssoftware Fehler enthält und zur gleichen Zeit das Bedienpersonal falsche Bedieneingriffe ausführt? Solche Fragen können mit klassischen Sicherheitsanalysen nur unzureichend beantwortet werden. Hinzu kommt, dass bei den meisten klassischen Sicherheitsanalysen die eigentliche Analyse des Systems in Form von Brainstorming-Prozessen durchgeführt wird. Dabei kann der Mensch niemals alle möglichen Kombinationen des Zusammenspiels zwischen den Bestandteilen überblicken und bewerten. In der vorliegenden Arbeit wird ein modellbasierter Ansatz zur Durchführung einer ganzheitlichen Sicherheitsanalyse vorgestellt, welche alle Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems berücksichtigt. Die Ausführung erfolgt rechnergestützt. Auf Grund der Komplexität von Prozessautomatisierungssystemen wird eine qualitative komponentenorientierte Modellierungsmethode gewählt. Die Systemgrößen werden durch qualitative Intervallvariablen beschrieben, wobei die definierten Intervallbereiche zusätzlich durch qualitative Ausdrücke kommentiert werden. Durch Kombination von Intervallbereichen entstehen kommentierte Situationen, die das Verhalten wiedergeben. Dabei wird sowohl der bestimmungsgemäße als auch der fehlerhafte Betrieb berücksichtigt. Anhand der Systemstruktur werden die Modelle der Bestandteile miteinander kombiniert, um alle möglichen Situationen des gesamten Prozessautomatisierungssystems zu erhalten. Anschließend werden die ermittelten sicherheitskritischen Situationen des Prozessautomatisierungssystems bewertet und es wird entschieden, ob Sicherheitsmaßnahmen notwendig sind. Durch das rechnergestützte Vorgehen lassen sich im Unterschied zu klassischen Methoden beliebig viele Fehlerkombinationen analysieren und damit Sicherheitslücken im Prozessautomatisierungssystem ermitteln. Das komplexe Zusammenspiel der Bestandteile wird mit Hilfe des qualitativen Modells transparent und analysierbar. Das Modell ist auf Grund seines qualitativen Charakters einfach anzuwenden und die Ergebnisse können leicht interpretiert werden.Item Open Access Constraintbasierte Testdatenermittlung für Automatisierungssoftware auf Grundlage von Signalflussplänen(2008) Linder, Paul; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Die zunehmende Komplexität von Automatisierungssoftware führt zu einem wachsenden Testaufwand, welcher mittlerweile einen beträchtlichen Anteil der Gesamtentwicklungskosten technischer Systeme ausmachen kann. Benötigt wird ein effizientes Testvorgehen, welches die Gründlichkeit der Softwareprüfung nicht beeinträchtigt. Hierbei spielt die effiziente Ermittlung qualitativ hochwertiger Testdaten, die eine zügige Aufdeckung aller wesentlichen Softwarefehler erlauben, eine wichtige Rolle. Modellbasierte Testverfahren gewinnen dabei aufgrund ihrer präzisen Systematik zunehmend an Bedeutung. Wegen der zeitabhängigen und häufig hybriden, d. h. diskret-kontinuierlichen Dynamik von Prozessautomatisierungssystemen erfordert die modellbasierte Ermittlung von zeitabhängigen Testdaten für Automatisierungssoftware im Allgemeinen die Auswertung hybrider funktionaler Modelle. Dies stellt eine Herausforderung dar, welche bis heute nicht zufriedenstellend gelöst wurde. Zur effizienten modellbasierten Ermittlung qualitativ hochwertiger zeitabhängiger Testdaten für Automatisierungssoftware wurden in dieser Arbeit neue Wege beschritten und ein innovatives Verfahren auf Grundlage hybrider, diskret-kontinuierlicher Signalflusspläne erarbeitet. Signalflusspläne sind eine in der industriellen Praxis eingeführte und verbreitete Beschreibungsform zur mathematisch präzisen Modellbildung dynamischer diskret-kontinuierlicher Automatisierungsanwendungen. Das Verfahren beruht auf zwei orthogonalen Grundkonzepten, nämlich der constraintbasierten Spezifikation und Berechnung von Testdaten mittels numerischer Methoden sowie der systematischen Formulierung des hierzu erforderlichen Constraint-Problems mithilfe eines analytischen mutationsbasierten Formalismus. Der constraintbasierte Formalismus ermöglicht die effiziente Ermittlung von Testdaten einer gleichbleibenden, definierten Qualität auf Grundlage eines gegebenen Signalflussplans als Testbasis. Der mutationsbasierte Formalismus sorgt für die erforderliche aussagekräftige Semantik des Constraint-Problems zur Erzielung aussagekräftiger, qualitativ hochwertiger Testdaten. Das Verfahren lässt sich im Rahmen einer modellgetriebenen Entwicklung von Automatisierungssoftware zur Ermittlung von Testdaten sowohl zum Testen eines ausführbaren Systemmodells der geforderten Automatisierungsfunktionalität gegenüber den Anforderungen als auch zum Testen einer Implementierung gegenüber dem Systemmodell einsetzen. Dabei lassen sich zwei Szenarien unterscheiden, nämlich die modellbasierte Synthese bzw. Generierung neuer Testdaten sowie die modellbasierte Analyse der Testüberdeckung bzw. Qualität gegebener Testdaten. Die mathematische Fundierung des Verfahrens eröffnet eine weitreichende Automatisierung dieser Szenarien im Sinne einer effizienten und praxisgerechten Testdatenermittlung. Hierzu wurde ein entsprechendes Softwarewerkzeug entwickelt. Das Verfahren wurde am Beispiel eines Kfz-Karosserieelektroniksystems evaluiert.Item Open Access Agentenbasierte Konsistenzprüfung heterogener Modelle in der Automatisierungstechnik(2015) Rauscher, Michael; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Automatisierte bzw. mechatronische Systeme sind aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. Sowohl ein Großteil der technischen Produkte als auch die industrielle Produktion enthalten Elemente der Mechatronik. Sie ist eine Disziplin, die die klassischen Disziplinen des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und der Informationstechnik in sich vereint. Um die gewinnbringende Zusammenarbeit dieser sehr unterschiedlichen Disziplinen zu gewährleisten, muss verschiedenen Herausforderungen begegnet werden. Die durch die verschiedenen Disziplinen bedingte Verwendung heterogener Modelle ist dabei eine große Fehlerquelle beim Entwurf mechatronischer Systeme. Inkonsistenzen zwischen den einzelnen Modellen, die erst spät im Entwurfsprozess aufgedeckt werden, erfordern großen Aufwand zur Behebung und gefährden die Qualität der entwickelten Produkte. Auf Grund der Heterogenität der Modelle, ist eine automatisierte Prüfung der Modelle auf Inkonsistenzen nicht möglich. Die manuelle Abstimmung zwischen den Disziplinen und Modellen kosten die Entwickler jedoch viel Zeit im Entwicklungsprozess und sie können sich nicht vollständig auf ihre eigentliche, kreative und gewinnbringende Arbeit konzentrieren. Deshalb ist die Unterstützung der Entwickler bei der Prüfung der Modelle notwendig, um die Entwicklungskosten zu reduzieren und die Produktqualität zu steigern. In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur automatisierten Konsistenzprüfung für heterogene Modelle vorgestellt, das in der Lage ist, Inkonsistenzen aufzudecken und den Entwicklern alle zu deren Auflösung verfügbaren Informationen bereitzustellen. Das Konzept basiert darauf, die heterogenen Modelle und deren Inhalt auf eine globale, modellübergreifende Ebene zu abstrahieren und dort zu interpretieren und zu prüfen. Dies wird erreicht, indem jedes Modell, genauer jeder Modelltyp, eine (lokale) Beschreibung erhält, in der die Struktur und die Bedeutung der Syntax des Modelltyps enthalten sind. Das zur Prüfung erforderliche Wissen in Form von Fakten, Zusammenhängen und daraus abgeleiteten Regeln ist allgemeingültig verfasst und befindet sich auf der globalen Ebene. Benutzerspezifisch können zu prüfende Regeln ergänzt werden. Die lokalen und die globale Wissensbasen werden in Form von Ontologien realisiert. Die Prüfung selbst wird mit Hilfe eines Softwareagentensystems durchgeführt. Die Grundidee der agentenorientierten Konsistenzprüfung ist es, jedes beteiligte Modell mit einem Modellagenten zu repräsentieren, der als Schnittstelle zwischen lokaler und globaler Ebene fungiert. Ein Ontologieagent leitet die Regeln aus der globalen Wissensbasis ab. Regelagenten führen die Prüfung der Modelle auf die Einhaltung der Regeln aus. Ein Koordinierungsagent stößt die Prüfung an, koordiniert diese und verwaltet die Ergebnisse. Dem Entwickler werden diese Ergebnisse am Ende einer Prüfung präsentiert und alle Informationen, die zu einem positiven oder negativen Ergebnis geführt haben, bereitgestellt. Er kann die aufgedeckten Inkonsistenzen anschließend gezielt beheben und wird so bei seiner Tätigkeit unterstützt. Gleichzeitig wird die Qualität der mechatronischen Systeme gesteigert, indem die möglichen Fehlerquellen reduziert werden.Item Open Access Visualisierung von Datenbank-Abfragen in Java(1999) Engelmann, RalfIn vielen Industriefirmen sind Produktionsanlagen mit Datenbanken verbunden, in welchen die anfallenden Prozessdaten gespeichert werden. Diese Prozessdaten werden nach verschiedenen Kriterien mit Hilfe von Datenbank-Abfragen ausgewertet und die Ergebnisse werden grafisch aufbereitet. Die Aufgabe des dieser Arbeit zu Grunde liegenden Projektes war es, solche Prozessdaten durch ein zu entwickelndes Anwendungssystem, basierend auf Java-Technologie in einem WWW-Browser zu präsentieren. CORBA (Common Object Request Broker Architecture) bietet ein standardisiertes Verfahren zur Realisierung verteilter Anwendungen. Die zu entwickelnde Anwendung wurde als verteilte Anwendung auf der Basis einer Three-tier-Anwendungsarchitektur entworfen und mit Hilfe der CORBA-Technologie realisiert. Der Einsatz der CORBA-Technologie in diesem Projekt erlaubt den flexiblen und intelligenten Zugriff auf die Datenbank und die gleichzeitige Verarbeitung der gelesenen Daten. Die Präsentation der aufbereiteten Daten erfolgt in einem Java-Applet, welches in einem WWW-Browser ausgeführt wird und durch die erwähnte CORBA-Technologie die Daten erhält. Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit mit der Industriefirma adstec Automation, Daten- und Systemtechnik GmbH (Oberaichen) durchgeführt.Item Open Access Sichere Automatisierungssysteme mit Hilfe qualitativer Modellierung und quantitativer Risikobewertung(2000) Biegert, UweFür die Sicherheitsanalyse von Prozessautomatisierungssystemen ist es notwendig, alle Systembestandteile zu betrachten. Im Beitrag wird ein Modell vorgestellt, bei dem der technische Prozess, die Automatisierungssoftware und menschliche Bedieneingriffe qualitativ beschrieben werden. Aus den einzelnen Modellen und deren Wechselbeziehungen werden Situationen berechnet, die das mögliche Verhalten des Prozessautomatisierungssystems beschreiben. Im Beitrag wird gezeigt, wie eine Risikobewertung der berechneten Situationen nach VDI/VDE 3542 realisiert werden kann. Mit Hilfe der Quantifizierung des Risikos können konkrete Aussagen bezüglich des Grenzrisikos eines Prozessautomatisierungssystems gemacht werden.Item Open Access Internetbasierte Datenintegration für Automatisierungssysteme(2006) Strobel, Thorsten; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Hersteller von Automatisierungssystemen suchen zunehmend nach neuen Möglichkeiten über den reinen Verkauf der Automatisierungssysteme hinaus Services anzubieten. Solches lässt sich durch Dienstleistungen erreichen, die rund um das verkaufte Automatisierungssystem angeboten werden und die es einem Automatisierungssystemhersteller ermöglichen, sich von seinen Konkurrenten abzuheben. Eine solche Dienstleistung ist das Anbieten von Daten aus dem Umfeld des Automatisierungssystems. Diese Daten können aus der Entwicklung oder dem Betrieb des Systems stammen und dem Kunden den Umgang mit dem Automatisierungssystem erleichtern. Die vorliegende Arbeit stellt ein Konzept für eine Plattform zur internetbasierten Datenintegration für Automatisierungssysteme vor. Die Datenintegrationsplattform für Automatisierungssysteme (DIPAS) realisiert einen einheitlichen Zugriff auf heterogene Datenbestände. Neben verschiedenen Arten von Datenbanksystemen werden auch Automatisierungssysteme als Datenbestände betrachtet. Die zu integrierenden Datenbestände können über das Internet hinweg verteilt sein. Aus der Integration gewonnene Daten sind ohne zusätzlichen Aufwand auf verschiedenartigen Ausgabegeräten darstellbar und auch veränderbar. Das Konzept beruht auf der konsequenten Verwendung von XML-basierten Standards. So kommen zur Kommunikation zwischen den einzelnen Bestandteilen der Plattform Web Services zum Einsatz. Sie ermöglichen die Verteilung der Datenbestände im Internet. Über die Web Service Schnittstellen wird festgelegt, welche Daten aus den einzelnen Datenbeständen für die Integration zur Verfügung stehen. Die vielfältigen Unterschiede zwischen den Datenbeständen werden durch Wrapper gekapselt. Durch die Verwendung generischer Wrapper reduziert sich der Realisierungsaufwand für die Integrationsplattform. Generische Wrapper werden für die Art eines bestimmten Datenbestands konfiguriert und anschließend für die Datenstruktur des Datenbestands parametriert. Auf die Wrapper baut ein Föderierungsdienst auf, der für die logische Verbindung der Daten sorgt. Dadurch ergibt sich für Anwendungen, die auf die Integrationsplattform DIPAS aufsetzen, der Eindruck, nur mit einem einzigen Datenbestand zu arbeiten. Die Informationen über die logische Verbindung der Datenbestände werden in einer XML-basierten Metadatenverwaltung gespeichert.Item Open Access Evolutionäres Domain-Engineering zur Entwicklung von Automatisierungssystemen(2007) Jost, Pascal; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Die Mehrfachverwendung von Software gewinnt in der Prozessautomatisierung zunehmend an Bedeutung. Besonders kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) sehen die Mehrfachverwendung als Möglichkeit, dem wachsenden Zeit- und Kostendruck zu begegnen. Der Mangel an existierender mehrfach verwendbarer Software, die sich für den Einsatz in Prozessautomatisierungssystemen eignet, zwingt die Unternehmen dazu, solche Software selbst zu entwickeln. Die heute verfügbaren Domain-Engineering-Methoden zur Unterstützung der Entwicklung von Software für die Mehrfachverwendung sind für allgemeine Softwaresysteme ausgelegt und für den Einsatz in Großunternehmen optimiert. Kleine und mittelständische Unternehmen, die Automatisierungssysteme erstellen, benötigen Domain-Engineering-Methoden, die auf ihre finanziellen und personellen Möglichkeiten angepasst sind und die spezifischen Merkmale von Automatisierungssystemen berücksichtigen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur iterativen Entwicklung mehrfach verwendbarer Softwarekomponenten und einer domänenspezifischen Softwarearchitektur für Automatisierungssysteme vorgestellt, das auf dem Evolutionsprinzip basiert. Das Konzept erlaubt die zeitliche Verteilung des Entwicklungsaufwandes durch das iterative Vorgehen. In den einzelnen Iterationsschritten werden Softwarekomponenten separat entwickelt. Dazu unterstützt das Konzept die frühe Zerlegung der Domäne in Sub-Domänen, aus denen die Softwarekomponenten entstehen, sowie die Integration der Softwarekomponenten zu einer domänenspezifischen Softwarearchitektur. Die Entwicklung erfolgt nach dem Vorbild von Domain-Engineering-Methoden. Bei der Entwicklung von Automatisierungssystemen sind insbesondere die Vorgänge im zu automatisierenden technischen Prozess sowie die Einrichtungen, die zur Automatisierung notwendig sind, zu berücksichtigen. Um die relevanten Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Automatisierungssystemen beim Domain-Engineering berücksichtigen zu können, wird ein Fragenkatalog eingesetzt. Er unterstützt bei der Analyse der Automatisierungsaufgaben und der zur Automatisierung eingesetzten Einrichtungen. Das Konzept wird in einer Methodik umgesetzt, welche die Anwender mit definierten Aktivitäten und Produkten bei der evolutionären Entwicklung mehrfach verwendbarer Software unterstützt. Die Methodik führt zu einer zeitlichen Verteilung des Entwicklungsaufwandes sowie zu einer frühen Nutzung von Teilergebnissen. Damit erfüllt sie die Grundvoraussetzung für den Einsatz in KMU. Insbesondere bei der Analyse werden Automatisierungsaufgaben und Einrichtungen zur Automatisierung berücksichtigt. Dadurch wird die Berücksichtigung der für Automatisierungssysteme relevanten Informationen bei der Entwicklung der mehrfach verwendbaren Software unterstützt.