05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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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 Verfahren zur Unterstützung der Arbeitsabläufe bei der Crash-Simulation im Fahrzeugbau(2004) Frisch, Norbert; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)Der starke internationale Wettbewerb in der Automobilindustrie zwingt die Unternehmen zu immer kürzeren Produktzyklen bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten bei der Fahrzeugentwicklung. Die passive Sicherheit ist dabei ein Thema von zunehmender Bedeutung in der Karosserieentwicklung. Die Optimierung der passiven Sicherheit erfolgt heute vor allem mit Hilfe von Crash-Simulationen am Rechner. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Verfahren zur Vorbereitung (Preprocessing) und Steuerung von Crash-Simulationen entwickelt. Damit lassen sich Crash-Simulationen effizienter und bereits in der frühen Phase der Karosserieentwicklung durchführen, in der Änderungen noch mit wenig Aufwand verbunden sind. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen der BMBF-Verbundprojekte AutoBench und AutoOpt und in enger Zusammenarbeit mit dem Automobilhersteller BMW realisiert. Ziel war die Entwicklung von Softwareprototypen zur Unterstützung der Berechnungsingenieure bei der Durchführung von Crash-Simulationen. Zunächst werden Techniken zur Erkennung, Visualisierung und Beseitigung der bei der Diskretisierung des CAD-Modells entstandenen Netzinkonsistenzen präsentiert. Ergänzt werden diese Verfahren durch einen Algorithmus zur Gitterrelaxation, der die Gleichmäßigkeit der Finiten Elemente nach der Beseitigung von Netzinkonsistenzen wiederherstellt. Anschließend wird ein Verfahren zur Flanscherkennung beschrieben, welches als Grundlage für weitere Algorithmen dient. Darauf aufbauend wird eine Vorgehensweise zur automatischen Definition von Schweißpunktlinien auf Flanschen vorgestellt. Ein breites Spektrum von Änderungen der Geometrie von Bauteilen durch Verformung bietet die sogenannte Free-Form Deformation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieses Verfahren weiterentwickelt und hinsichtlich Benutzerfreundlichkeit und Effizienz angepasst. In Verbindung mit der Flanscherkennung wurde darauf aufbauend ein iterativer Algorithmus zur Justierung des Abstandes von Flanschen entwickelt. Damit können außerdem Durchdringungen von Finiten Elementen auf Flanschen behoben werden. Beim sogenannten Massentrimm geht es schliesslich um die vereinfachte Darstellung von nichttragenden Teilen. Dies vereinfacht den Berechnungsaufwand, da weniger Finite Elemente bei der Simulation berücksichtigt werden müssen. Durch die in dieser Arbeit entwickelten Preprocessing-Verfahren lässt sich das Finite-Elemente-Netz für die Simulation aufbereiten, und es können Änderungen und Ergänzungen am Netz vorgenommen werden. So kann z.B. die Auswirkung kleiner Änderungen auf das Simulationsverhalten rasch untersucht werden, und durch Ergänzung eines noch unvollständigen Finite-Elemente Modells lassen sich bereits in der frühen Entwicklungsphase Erkenntnisse über das Crashverhalten gewinnen. Die hier vorgestellten Verfahren wurden innerhalb einer Anwendung zur Visualisierung und Modellierung von Finite-Elemente-Modellen realisiert. Zusätzlich wurde diese Anwendung an die Integrationsumgebung CAE-Bench angebunden. CAE-Bench bietet eine Web-basierte Benutzerführung und eine einheitliche Bedienoberfläche für die verschiedenen Anwendungen bei der Crash-Simulation. Es wurde ein spezielles Java-Applet entwickelt, welches in die CAE-Bench Web-Seite eingebettet wird. Dieses Applet kommuniziert mit der Anwendung über CORBA und mit der CAE-Bench Web-Seite mit Hilfe von Java und Javascript Methodenaufrufen. Eine weitere CORBA-Schnittstelle der Anwendung ermöglicht den Abruf und die Visualisierung von Zwischenergebnissen der laufenden Simulation. So lässt sich frühzeitig Einfluss auf die Simulation nehmen, ein Vorgehen, das als Simulation Steering bezeichnet wird. Die vorliegende Arbeit kombiniert Ansätze aus den verschiedenen Bereichen der Informatik, z.B. aus dem Bereich der geometrischen Algorithmen, der Computergraphik, der Visualisierung und der geometrischen Modellierung, sowie aus dem Bereich der Benutzerschnittstellen und der Web-basierten und Middleware-Technologien. Durch die Beiträge dieser Arbeit wird eine schnelle und frühzeitige Durchführung von Crash-Simulationen unterstützt. Dies führt durch Simultaneous Engineering zu einer signifikanten Verkürzung der Entwicklungszeiten bei der Fahrzeugkonstruktion.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 Deriving bisimulation congruences in the DPO approach to graph rewriting. Long version(2004) Ehrig, Hartmut; König, BarbaraMotivated by recent work on the derivation of labelled transitions and bisimulation congruences from unlabelled reaction rules, we show how to solve this problem in the DPO (double-pushout) approach to graph rewriting. Unlike in previous approaches, we consider graphs as objects, instead of arrows, of the category under consideration. This allows us to present a very simple way of deriving labelled transitions (called rewriting steps with borrowed context) which smoothly integrates with the DPO approach, has a very constructive natureand requires only a minimum of category theory. The core part of this paper is the proof sketch that the bisimilarity based on rewriting with borrowed contexts is a congruence relation.Item Open Access A note on on-the-fly verification algorithms(2004) Schwoon, Stefan; Esparza, JavierThe automata-theoretic approach to verification of LTL relies on an algorithm for finding accepting cycles in the product of the system and a Büchi automaton for the negation of the formula. Explicit-state model checkers typically construct the product space "on the fly" and explore the states using depth-first search. We survey algorithms proposed for this purpose and propose two improved algorithms, one based on nested DFS, the other on strongly connected components. We compare these algorithms both theoretically and experimentally and determine cases where both algorithms can be useful.Item Open Access Hardware accelerated volume visualization on PC clusters(2004) Magallón Gherardelli, Marcelo Eduardo; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)This work presents a system for the hardware accelerated parallel rendering of large volume datasets on PC Clusters. The parallelization possibilities on the visualization pipeline are explained, and how some of this possibilities have been exploited. The evolution of commodity graphics hardware is also discussed, and serves as motivation for working on the parallelization of the last step of the visualization pipeline, namely the rendering of images. A comparison between ''high end'' proprietary visualization systems and commodity hardware is provided and serves as motivation for working on the parallelization of the rendering using clusters of PCs equipped with commodity graphics hardware. The parallelization of the volume rendering algorithm is presented, and special attention is paid to the parallelization of the compositing stage: two well known algorithms for parallel compositing, direct send and binary swap, are discussed and compared and a justification for choosing one over the other is provided. Assembler implementations of the compositing operation are given, one for the Intel's x86 architecture, and one for AMD's AMD64. The performance characteristics of this implementations are discussed. Remote access of generic visualization facilities is presented, including a detailed description of a generic method for remotely accessing visualization applications.Item Open Access Erweiterbarkeit multimedialer Dokumentensysteme zur dynamischen Anpassung an anwendungsspezifische Anforderungen(2004) Hauser, Jürgen; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)Multimedia-Präsentationen stellen hohe technische und programmiersprachliche Anforderungen an ihren Ersteller. Grundlage multimedialer Präsentationen sind so genannte Multimedia-Dokumente. Durch die Verwendung von Multimedia-Dokumenten kann der Erstellungsprozess definiert und strukturiert werden. Multimedia-Präsentationen sind durch ihre Zeitabhängigkeit und die Interaktionsmöglichkeiten, die den Verlauf der Präsentation beeinflussen, gekennzeichnet. Damit unterscheiden sie sich grundlegend von textuellen oder statischen Dokumenten. Die Weitergabe von statischen Dokumenten erfolgt nach einer Ausgabe über den Drucker im Allgemeinen in Papierform. Multimedia-Dokumente werden dem Benutzer immer auf einem Rechner präsentiert. Die Zeitabhängigkeit von Multimedia-Präsentationen wurde bereits in vielen wissenschaftlichen Publikationen behandelt. Die vorliegende Abhandlung widmet sich daher hauptsächlich den Interaktionsmöglichkeiten. Beim näheren Betrachten der Interaktion ist zu erkennen, dass sie vom jeweiligen Anwendungsgebiet, in dem das Multimedia-Dokument eingesetzt werden soll, abhängt. Neben der Interaktion selbst ist die Reaktion der Präsentation auf Interaktionen von Bedeutung. Letztendlich unterscheiden sich die Anwendungsgebiete in der Interaktionsform und den Reaktionen der Präsentation. Diese Unterschiede sollten in der Spezifikationssprache für Multimedia-Dokumente sichtbar sein. In der Literatur gibt es zwei unterschiedliche Ansätze für Spezifikationssprachen. Der erste Ansatz sind generische Sprachen. Sie führen zu einem hohen Aufwand bei der Erstellung, da sie anwendungsunabhängig sind und damit den Autor nicht unterstützen. Anwendungsspezifische Spezifikationssprachen legen sich auf ein Anwendungsgebiet fest. Neue Anwendungsgebiete erfordern eine Neuentwicklung und bedeuten eine neue Benutzungsschnittstelle für den Autor. Viele unterschiedliche Systeme und Speicherformate erhöhen den Verwaltungsaufwand und erschweren die Weiterverarbeitung der Dokumente, beispielsweise in bibliographischen Nachweissystemen. In dieser Abhandlung wird ein erweiterbarer Ansatz vorgestellt. Für den erweiterbaren Ansatz wird ein Meta-Dokumentenmodell entwickelt, das die Eigenschaften der Spezifikationssprachen zusammenfasst, die unabhängig vom Anwendungsgebiet sind. Für konkrete Anwendungsgebiete werden Spezifikationssprachen als Instanz dieses Meta-Dokumentenmodells zur Verfügung gestellt. Die Erweiterbarkeit des Ansatzes bedeutet, dass sowohl in einem Autorenwerkzeug als auch im zugehörigen Präsentationssystem die Unterstützung für ein neues Anwendungsgebiet nachträglich hinzugefügt werden kann. Die Implementierung einer Spezifikationssprache, als Erweiterung des Präsentationssystems, soll mit einem möglichst geringem Aufwand verbunden sein. Dazu wird eine modulare Architektur für ein erweiterbares Präsentationssystem vorgeschlagen. Für die Präsentation eines Dokuments müssen alle benötigten Erweiterungen dynamisch zur Laufzeit in die Architektur eingefügt werden. Idealerweise erfolgt dies ohne Zutun des Autors oder Benutzers automatisch durch das Präsentationssystem. Damit beschreibt das Transferformat für Dokumente, das ebenfalls die Erweiterbarkeit unterstützen muss, nicht nur die Struktur der Dokumente, sondern auch die Konfiguration des Präsentationssystems zur Präsentationszeit. Neben der Entwicklung des Meta-Dokumentenmodells und des erweiterbaren Präsentationssystems wird ein ebenfalls dynamisch erweiterbares Autorenwerkzeug konzipiert. Die Erweiterbarkeit des Ansatzes soll im Autorenwerkzeug minimale Auswirkungen auf die Benutzungsschnittstelle haben. Aus diesem Grund greift die Benutzungsschnittstelle zur Erstellung von Multimedia-Dokumenten nur auf Eigenschaften des Meta-Dokumentenmodells zurück. Neben der Erweiterbarkeit werden Konzepte zur Vereinfachung des Spezifikationsprozesses untersucht.Item Open Access The AnT project : on the simulation and analysis of dynamical systems(2004) Schanz, Michael; Levi, Paul (Prof. Dr. rer. nat. habil.)In this work, a the software project AnT is presented. This project is about a simulation and analysis tool for dynamical systems, whereby it was aimed right from the start, that not only a broad spectrum of dynamical systems is supported, but many investigation methods as well. This thesis is structured as follows: In chapter one (Introduction) a motivation and an overview about the main topics and the involved scientific disciplines is given and among others, the notions of simulation and analysis and their prerequisites are defined and described. The modeling and especially the mathematical modeling are considered in more detail as well as the tasks of interactive and non-interactive simulation. Chapter two (The AnT project) provides an overview about the software - its aims, requirements and features. Some historical and technical remarks are given together with some basic principles and facts about the functionality and a short guidance how to use this software and its features. In the third chapter (Supported classes of dynamical systems), the notion of a dynamical system is defined and described in this context and the most important classes of dynamical systems supported by the AnT software package including their main characteristic properties are listed. For each addresses class of dynamical systems at least one typical and illustrative representative is presented. In chapter four (Scanning dynamical systems), the notion of scanning is described and its importance in the field of nonlinear dynamics is emphasized. The different types of scan possibilities and procedures provided by the software are explained as well as the meaning of a scan item and a scan item sequence. Directly connected with the scanning of a dynamical system is the investigation or analysis of the dynamic behavior, because in most of the cases one is not only interested in the investigation under some fixed conditions but under varying conditions. For the analysis of dynamical systems, several methods are developed in the meanwhile. The methods, which are already implemented in the AnT software and hence available, are presented in chapter five (Supported investigation methods). The investigation of dynamical systems is the most important task in the field of nonlinear dynamics, because it represents the basis for prediction and forecasting of the dynamics as well as improvement and enhancement of the used or derived mathematical models. Therefore, a lot of examples are given in this chapter where the supported investigation methods are applied and illustrated. In chapter six (Simulating and investigating dynamical systems), a more detailed description of the software architecture and applied concepts is given. Especially the most important concepts of transitions and machines designed for the simulation and the investigation are explained and illustrated. The necessity of distributed computing is addressed to in chapter seven (Distributed computing), where the capability of the software to run in distributed mode to solve time consuming investigation tasks in parallel on several workstations or nodes of a cluster is described. The used client/server architecture is presented together with the developed network protocol. Many diagrams and figures in this work are based on the result of time consuming computations and could not have been prepared without the important distributed computing feature of the AnT software package. In chapters eight (AnT-gui: the graphical user interface) and nine (Visualization of dynamical systems), the graphical user interface, which guides a user through the initialization phase and the visualization capabilities of the software were presented, before in chapter ten (Numerical aspects of simulation) some remarks about numerics and scientific computing are elucidated. In chapter eleven (Examples), further illustrative examples of the functionality of the software are given including several scans not only with respect to system parameters but also with respect to initial values and even method parameters. The work closes with chapter twelve (Conclusion), where the main advantages of the AnT software package and the future extensions are presented, together with a short overview about related software projects.Item Open Access Analysis and verification of systems with dynamically evolving structure(2004) König, Barbara; Esparza, Javier (Prof. Dr.)This thesis is concerned with verification and analysis techniques for software systems characterized by dynamically evolving structure, such as dynamic creation and deletion of objects, mobility and variable topology. Examples for such systems are pointer structures, object-based systems and communication protocols in which the number of participants is not constant. The approach taken here is based on graph transformation systems, an intuitive and---at the same time---powerful formalism for the modelling of distributed and mobile systems. So far there exists comparatively little research concerning the verification of graph rewriting. We will---in the first part of this thesis---introduce graph transformations and give an overview of existing analysis and verification methods, with a focus on the verification of systems with dynamically evolving structure. Then we will describe three original lines of research: behavioural equivalences, type systems and approximation by Petri nets, all of them concerned with the analysis of graph transformation systems. The second part consists of eight refereed research papers treating the previously introduced analysis and verification techniques in depth.Item Open Access Complexity results for checking distributed implementability(2004) Heljanko, Keijo; Stefanescu, AlinWe consider the distributed implementability problem as: Given a labelled transition system TS together with a distribution D of its actions over a set of processes, does there exist a distributed system over D such that its global transition system is equivalent' to TS? We consider the distributed system models of synchronous products of transition systems and Zielonka's asynchronous automata. In this paper we provide complexity bounds for the above problem with three interpretations of equivalent': as transition system isomorphism, as language equivalence, and as bisimilarity. In particular, we solve two problems left open in the literature. We also describe a logic programming implementation which complements the existing implementation for the synthesis of asynchronous automata initiated by the second author.