Entwickeln für CPS-Netzwerke: Modellierung dynamischer Randbedingungen
03.12.2020
News
Innovative Softwaresysteme
Entwicklungsmethoden und -werkzeuge
Dynamische „Systems of CPS“ sind das Rückgrat vieler technologiegetriebener Zukunftsvisionen, wie z.B. für den automatisierten Transport von Personen und Gütern, Smart Cities, zukunftsweisende Medizintechnik und intelligente Fabriken. Allerdings steigt mit der Fähigkeit zur Kollaboration die Komplexität in der Entwicklung und im Betrieb der Systeme sprunghaft an. Das liegt nicht allein an der wachsenden Anzahl der vernetzten, eingebetteten Systeme. Es muss ebenfalls berücksichtigt werden, dass sich die Verbünde zur Laufzeit dynamisch verändern. In einer intelligenten Fabrik schließen sich z.B. Roboter für bestimmte Aufgaben zusammen und gehen für anschließende Aufgaben neue Verbünde mit anderen Robotern ein.
Ein Schlüssel, um die Komplexität zu beherrschen und Systeme mit hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit auf den Markt zu bringen, ist die modellbasierte Entwicklung. Das bedeutet explizit die Modellierung von Strukturen, Verhalten, Interaktionsmustern sowie funktionalen und nicht-funktionalen Randbedingungen. Um Unternehmen hierfür die passenden Methoden an die Hand zu geben, wurden in CrESt entsprechende Modellierungsansätze entwickelt und erprobt. Sie basieren auf der etablierten SPES-Methodik, die bereits in einigen Unternehmen angewendet wird.
Die im Buch beschriebenen Ansätze können Unternehmen dabei unterstützen, kollaborierende Systeme, die in dynamischen und unsicheren Kontexten operieren, effektiv und effizient zu entwickeln. Schwerpunkt liegt auf der Zuverlässigkeit und Variabilität der individuellen Systeme, die zur Laufzeit Verbünde bilden. Die Anwendung wird anhand von Use Cases aus den Bereichen Automotive, Industrielle Produktion (Industrie 4.0), und Robotik demonstriert.
Open Access und als Printexemplar erhältlich
Herausgeber des Buches sind neben Klaus Pohl, Leiter der paluno-Arbeitsgruppe Software Systems Engineering: Wolfgang Böhm (TU München), Manfred Broy (TU München), Cornel Klein (Siemens), Bernhard Rumpe (RWTH Aachen) und Sebastian Schröck (Bosch). Das Buch ist online frei zugänglich unter:
Ebenfalls kann eine gebundene Version bestellt werden: ISBN 978-3-030-62135-3
Wesentliche Beiträge der Arbeitsgruppe Software Systems Engineering
Engineering of Collaborative Embedded Systems
Im Forschungsprojekt CrESt wurden vielfältige Beiträge zur modellbasierten kollaborativen Entwicklung cyber-physischer Systeme geleistet. Die Vielzahl und Diversität der Beiträge zeigen sich in der Sammlung verschiedenster Beiträge in diesem Sammelband. Umso mehr sehen wir es als wichtige Leistung an, dass es uns mit unseren Partnern gelungen ist, ein einheitliches methodisches Grundverständnis und einen allgemeingültigen Modellierungsansatz zu erschaffen, der alle Beiträge vereint und für zukünftige Arbeiten eine gute Ausgangsbasis bildet. (Dr. Marian Daun)
Marian Daun war im Projekt in die querschneidenden Arbeiten zur Schaffung einer durchgängigen Methodik eingebunden. Die Ergebnisse dieser Arbeit finden sich im Kapitel „Engineering of Collaborative Embedded Systems“ unter https://www.springerprofessional.de/engineering-of-collaborative-embedded-systems/18682402.
Function Modelling for Collaborative Embedded Systems
Ein wesentlicher Aspekt kollaborativer Systeme ist das Zusammenspiel von Funktionen.
Einzelne Systeme schließen sich zu Systemverbünden zusammen, um Funktionalität zu realisieren, die das Einzelsystem nicht bieten kann. Hierfür ist es von Bedeutung, dass in der Entwicklung dieser Systeme ein einheitliches Verständnis der funktionalen Gegebenheiten der beteiligten Systeme vorliegt. In enger Zusammenarbeit mit unseren Partnern der TU München und der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg ist es uns hier gelungen ein ontologisches Metamodell zu erstellen, das genau diesen Bedürfnissen Rechnung trägt. (Lisa Krajinski)
Die Ergebnisse dieser Arbeiten sind im Beitrag „Function Modelling for Collaborative Embedded Systems“ zusammengefasst und unter https://www.springerprofessional.de/function-modeling-for-collaborative-embedded-systems/18682406 zugänglich.
Architectures for Dynamically Coupled Systems
In dem Kapitel “Architectures for Dynamically Coupled Systems” werden Methoden vorgestellt, die die Entwicklung von kollaborativen eingebetteten Systemen unterstützen, die keine starre Zusammensetzung haben, sondern deren Zusammensetzung sich zur Laufzeit ändern kann.
Dies erlaubt beispielsweise Smart Factorys sich dynamisch an Kundenanforderung anzupassen, um eine Vielzahl von unterschiedlichen Produkten effizient zu erstellen. Wir beschreiben, wie solche Systeme zuverlässig modellbasiert entwickelt werden können. (Jennifer Brings)
Das Kapitel ist abrufbar unter: https://www.springerprofessional.de/architectures-for-dynamically-coupled-systems/18682410
Goal-Based Strategy Exploration
Mit zielbasierter Strategieentwicklung beschäftigt sich das Kapitel „Goal-Based Strategy Exploration“.
In dem Kapitel wird ein Ansatz vorgestellt, der es ermöglicht, basierend auf definierten Zielen die beste Adaptionsstrategie für kollaborative Systemverbünde, die mit den Zielen individueller eingebettet cyber-physischer Systeme konkurrieren, zu ermitteln. Mit Hilfe dieses Ansatzes können Adaptionsstrategien für Systemverbünde entwickelt werden, die das enge Zusammenspiel zwischen den Zielen der individuellen Systeme und des Systemverbundes berücksichtigen und diese systematisch auswerten. (Patricia Aluko Obe)
Das Kapitel illustriert den Ansatz am Beispiel einer hochdynamischen autonomen Roboterflotte und ist abrufbar unter: https://www.springerprofessional.de/goal-based-strategy-exploration/18682416
Handling Uncertainty in Collaborative Embedded Systems Engineering
Das Kapitel „Handling Uncertainty in Collaborative Embedded Systems Engineering” befasst sich mit Herausforderungen in der Berücksichtigung von Unsicherheiten, die im Betrieb dynamischer Systemverbünde auftreten können, beispielsweise durch den Informationsaustausch mit kollaborierenden CPS oder Ungenauigkeiten in der Kontexterfassung.
Derartige Unsicherheiten müssen bereits in frühen Phasen der Systementwicklung identifiziert, modelliert und analysiert werden, um CPS systematisch mit entsprechenden Fähigkeiten auszustatten, die einen reibungslosen Betrieb auch in dynamischen und unsicheren Umgebungen gewährleisten. (Torsten Bandyszak)
Das Kapitel beschreibt Modellierungs- und Analysetechniken zur systematischen Berücksichtigung von Unsicherheit in CPS-Entwicklungsprozessen. Direktlink zum Kapitel: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-62136-0_7
Über das Projekt CrEst (Collaborative Embedded Systems)
CrESt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über 3 Jahre mit ca. 15 Millionen Euro gefördert. 800.000 Euro flossen an die UDE. Die Arbeitsgruppe von Prof. Pohl war mitverantwortlich für die Gesamtleitung und in zahlreiche Teilprojekte involviert. Projektpartner waren u.a. Bosch, Siemens, FEV, Bertrandt, Fraunhofer sowie neben der UDE weitere in diesem Bereich führende Universitäten in Deutschland. https://sse.uni-due.de/forschung/projekte/crest
