Verteilte Prozesskontrolle in ressourcenbasierten Architekturen

Prozesskontrolle in entkoppelten, verteilten und datenbasierten Architekturen, wie dem World Wide Web, ist eine Herausforderung, die diese Arbeit thematisiert. Nach der Formalisierung des Representational State Transfer (REST) und der Erweiterung des Architekturstils zu ressourcenbasierten Architekturen wird anhand von Ressourcen, Agenten und ihres Verhaltens gezeigt, wie Informationsübertragung realisiert werden kann, um anschließend kooperative Prozesse mit Hilfe von monotoner Sequenzen und monotoner Warteschlangen betreiben zu können. Abschließend wird untersucht wie sich ressourcenbasierte Architekturen zu bekannten Geschäftsprozesssprachen und ihren Modellen verhalten

Continuous simulation support in the aircraft system development

Die Computersimulation bietet ein geeignetes Hilfsmittel zur Analyse komplexer Systeme. Für technische Problemstellungen jeder Art existieren heute unzählige, spezialisierte Simulationsprogramme, mit deren Hilfe einzelne physikalische Disziplinen modelliert und simuliert werden können. Die wichtigsten Argumente für den Einsatz der Simulationstechnik sind die Steigerung der Entscheidungsqualität und der –sicherheit. Aus wirtschaftlicher Sicht ist daher vor allem bei komplexen Systemen ein kontinuierlicher Simulationseinsatz in allen Entwicklungsphasen anzuraten. Von einem durchgängigen Simulationseinsatz zur Unterstützung des Entwicklungsprozess kann in der Flugzeugindustrie nicht die Rede sein. Aufgrund von Ressourcenknappheit wird in der frühen Produktentwicklung häufig auf den Einsatz von Simulationstechniken verzichtet. Gerade diese Phase ist für eine erfolgreiche Produktentwicklung von besonderer Bedeutung, da hier bereits bis zu 70% der Entwicklungskosten festgelegt werden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass Systeminteraktionen erst in den späten Entwicklungsphasen überprüft werden. Systeminkompatibilitäten in diesen Phasen führen zu zeit- und kostenintensiven Iterationsschleifen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass weder ein standardisiertes Vorgehen, noch ein Konzept oder eine Methodik zum durchgängigen Einsatz von Simulationstechniken für den Entwicklungsprozess von Flugzeugsystemen existieren. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Konzeptes, welches den Einsatz von Simulationstechniken im Entwicklungsprozess regelt und somit zur Steigerung der Qualität und Transparenz, Reduzierung der Entwicklungszeit und –kosten sowie zur Verbesserung des ganzheitlichen Denkens im Produktentstehungsprozess führt. Das Konzept für die durchgängige Simulationsunterstützung sieht eine virtuelle Systemanalyse in den frühen Entwicklungsphasen vor. Durch den Einsatz der Simulationstechnik ist es möglich, Konzeptalternativen auf einer mathematischen Basis zu vergleichen und somit die Suche nach der besten Lösung zu unterstützen. Die frühzeitige virtuelle Verifikation im linken Strang des V-Modells - hierbei handelt es sich um ein Vorgehensmodell in der Produktentwicklung - führt dazu, dass Entwicklungsfehler frühzeitig entdeckt werden und verhindert damit kostenintensive Iterationsschleifen. Das Simulationskonzept schreibt den kontinuierlichen Einsatz der Simulationstechnik von der Konzeptphase bis zum Ende der Testphase vor. Ein Modellierungskonzept mit verschiedenen Detaillierungsebenen erlaubt die Anpassung der Modelle an den jeweiligen Entwicklungsstand. Zudem ermöglicht die Kombination aus alleinstehenden und systemübergreifenden Simulationen zum einen eine Teilsystemoptimierung mit geringem Ressourceneinsatz und zum anderen werden in den systemübergreifenden Simulationen Systeminteraktionen analysiert, so dass Inkompatibilitäten frühzeitig erkannt werden. Der Einsatz der standardisierten Modellierungssprache SysML erhöht zusätzlich die Transparenz und führt zu einer Verbesserung der Kommunikation im Entwicklungsprozess. Gleichzeitig wird durch die standardisierte Modellierung das Verständnis für das Gesamtsystem aller an der Entwicklung Beteiligten erhöht. Für die Informationsbereitstellung wird eine zentrale Informationsbasis verwendet, die es ermöglicht bestehende Infrastrukturen weiter zu verwenden sowie weitere Informationsquellen zu integrieren, so dass immer die am besten geeignete IT-Lösung für die Informationsbereitstellung eingesetzt wird. Zudem wird der Aufwand für die Beschaffung von Informationen reduziert und somit die wertschöpfende Tätigkeit aller Beteiligten gesteigert. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Realisierung einer virtuellen Flugzeugentwicklung, deren Ziele eine frühzeitige Analyse des Verhaltens des Gesamtsystems Flugzeug und somit die Reduzierung der realen Hardwaretests sind. Eine frühzeitige virtuelle Flugzeugüberprüfung resultiert damit in einer Reduzierung der Entwicklungszeit und –kosten.Computer simulation provides an adequate tool for complex system analysis. For nearly all physical domains, specialised simulation software is available which allows to model and simulate all kinds of multidisciplinary systems. From an economical point of view it is recommended to use the simulation for complex system analysis throughout the whole development process. Simulation supports the decision process and increases the quality of the product. Furthermore it improves the overall system appreciation, reduces the development costs, and thus paves the way for the competitiveness of companies. In today’s aircraft development a continuous simulation support throughout the development process does not exist. In the early development phases decisions are based on empirical knowledge because of missing resources. But for the success of the development the early phases play a major role. In these phases nearly 70% of the overall development costs are defined. Another deficit of the current development process caused by different vocabulary of concepts is the interdisciplinary communication. This involves an independent development, isolated solution of single subsystems, and leads to misunderstandings and a loss of overall knowledge for all participating developers. In summary it can be said that a standardised approach, method or process for the use of simulation techniques throughout the development process is missing. The main goal of this work is to provide a generic concept for the continuous simulation support in the aircraft system development process. Therefore deficits in the current development process were identified and used to define requirements for a future concept. The simulation concept provides a virtual analysis in the early development phases. Due to this proceeding it is possible to evaluate different aircraft system concepts on a mathematical base. This enables the determination of the best system solution for the ongoing development process. In addition, it allows an early virtual verification, so that development faults can be identified in an early stage of the development. As a result, cost and time intensive iteration loops in the following phases are reduced. The concept regulates the use of simulation during the whole system development process from the early concept phases to the end of the test phases. Different model abstraction levels allow a model adaptation with regard to the respective development phase. The combination of stand alone and system wide simulations allows an optimisation of subsystems with only few resources and the virtual analysis of system interactions. This enables the early detection of system incompatibilities. For the system wide simulation the co-simulation and the simulation coupling are applicable. These simulation techniques always allow to use the most appropriate simulation software. Furthermore the use of the standardised modelling language SysML increases the transparency and improves the communication in the development process. The information allocation is realised by a central information basis which allows to integrate existing infrastructures e.g. data bases. Once the user has been authenticated he has access to all relevant development data. Moreover the central information basis reduces the effort of data allocation. This work makes a contribution to the virtual aircraft development. The scope of the virtual development is the early analysis of the overall behaviour of an aircraft and thus the reduction of development costs and time

Continuous simulation support in the aircraft system development

Die Computersimulation bietet ein geeignetes Hilfsmittel zur Analyse komplexer Systeme. Für technische Problemstellungen jeder Art existieren heute unzählige, spezialisierte Simulationsprogramme, mit deren Hilfe einzelne physikalische Disziplinen modelliert und simuliert werden können. Die wichtigsten Argumente für den Einsatz der Simulationstechnik sind die Steigerung der Entscheidungsqualität und der –sicherheit. Aus wirtschaftlicher Sicht ist daher vor allem bei komplexen Systemen ein kontinuierlicher Simulationseinsatz in allen Entwicklungsphasen anzuraten. Von einem durchgängigen Simulationseinsatz zur Unterstützung des Entwicklungsprozess kann in der Flugzeugindustrie nicht die Rede sein. Aufgrund von Ressourcenknappheit wird in der frühen Produktentwicklung häufig auf den Einsatz von Simulationstechniken verzichtet. Gerade diese Phase ist für eine erfolgreiche Produktentwicklung von besonderer Bedeutung, da hier bereits bis zu 70% der Entwicklungskosten festgelegt werden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass Systeminteraktionen erst in den späten Entwicklungsphasen überprüft werden. Systeminkompatibilitäten in diesen Phasen führen zu zeit- und kostenintensiven Iterationsschleifen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass weder ein standardisiertes Vorgehen, noch ein Konzept oder eine Methodik zum durchgängigen Einsatz von Simulationstechniken für den Entwicklungsprozess von Flugzeugsystemen existieren. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Konzeptes, welches den Einsatz von Simulationstechniken im Entwicklungsprozess regelt und somit zur Steigerung der Qualität und Transparenz, Reduzierung der Entwicklungszeit und –kosten sowie zur Verbesserung des ganzheitlichen Denkens im Produktentstehungsprozess führt. Das Konzept für die durchgängige Simulationsunterstützung sieht eine virtuelle Systemanalyse in den frühen Entwicklungsphasen vor. Durch den Einsatz der Simulationstechnik ist es möglich, Konzeptalternativen auf einer mathematischen Basis zu vergleichen und somit die Suche nach der besten Lösung zu unterstützen. Die frühzeitige virtuelle Verifikation im linken Strang des V-Modells - hierbei handelt es sich um ein Vorgehensmodell in der Produktentwicklung - führt dazu, dass Entwicklungsfehler frühzeitig entdeckt werden und verhindert damit kostenintensive Iterationsschleifen. Das Simulationskonzept schreibt den kontinuierlichen Einsatz der Simulationstechnik von der Konzeptphase bis zum Ende der Testphase vor. Ein Modellierungskonzept mit verschiedenen Detaillierungsebenen erlaubt die Anpassung der Modelle an den jeweiligen Entwicklungsstand. Zudem ermöglicht die Kombination aus alleinstehenden und systemübergreifenden Simulationen zum einen eine Teilsystemoptimierung mit geringem Ressourceneinsatz und zum anderen werden in den systemübergreifenden Simulationen Systeminteraktionen analysiert, so dass Inkompatibilitäten frühzeitig erkannt werden. Der Einsatz der standardisierten Modellierungssprache SysML erhöht zusätzlich die Transparenz und führt zu einer Verbesserung der Kommunikation im Entwicklungsprozess. Gleichzeitig wird durch die standardisierte Modellierung das Verständnis für das Gesamtsystem aller an der Entwicklung Beteiligten erhöht. Für die Informationsbereitstellung wird eine zentrale Informationsbasis verwendet, die es ermöglicht bestehende Infrastrukturen weiter zu verwenden sowie weitere Informationsquellen zu integrieren, so dass immer die am besten geeignete IT-Lösung für die Informationsbereitstellung eingesetzt wird. Zudem wird der Aufwand für die Beschaffung von Informationen reduziert und somit die wertschöpfende Tätigkeit aller Beteiligten gesteigert. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Realisierung einer virtuellen Flugzeugentwicklung, deren Ziele eine frühzeitige Analyse des Verhaltens des Gesamtsystems Flugzeug und somit die Reduzierung der realen Hardwaretests sind. Eine frühzeitige virtuelle Flugzeugüberprüfung resultiert damit in einer Reduzierung der Entwicklungszeit und –kosten.Computer simulation provides an adequate tool for complex system analysis. For nearly all physical domains, specialised simulation software is available which allows to model and simulate all kinds of multidisciplinary systems. From an economical point of view it is recommended to use the simulation for complex system analysis throughout the whole development process. Simulation supports the decision process and increases the quality of the product. Furthermore it improves the overall system appreciation, reduces the development costs, and thus paves the way for the competitiveness of companies. In today’s aircraft development a continuous simulation support throughout the development process does not exist. In the early development phases decisions are based on empirical knowledge because of missing resources. But for the success of the development the early phases play a major role. In these phases nearly 70% of the overall development costs are defined. Another deficit of the current development process caused by different vocabulary of concepts is the interdisciplinary communication. This involves an independent development, isolated solution of single subsystems, and leads to misunderstandings and a loss of overall knowledge for all participating developers. In summary it can be said that a standardised approach, method or process for the use of simulation techniques throughout the development process is missing. The main goal of this work is to provide a generic concept for the continuous simulation support in the aircraft system development process. Therefore deficits in the current development process were identified and used to define requirements for a future concept. The simulation concept provides a virtual analysis in the early development phases. Due to this proceeding it is possible to evaluate different aircraft system concepts on a mathematical base. This enables the determination of the best system solution for the ongoing development process. In addition, it allows an early virtual verification, so that development faults can be identified in an early stage of the development. As a result, cost and time intensive iteration loops in the following phases are reduced. The concept regulates the use of simulation during the whole system development process from the early concept phases to the end of the test phases. Different model abstraction levels allow a model adaptation with regard to the respective development phase. The combination of stand alone and system wide simulations allows an optimisation of subsystems with only few resources and the virtual analysis of system interactions. This enables the early detection of system incompatibilities. For the system wide simulation the co-simulation and the simulation coupling are applicable. These simulation techniques always allow to use the most appropriate simulation software. Furthermore the use of the standardised modelling language SysML increases the transparency and improves the communication in the development process. The information allocation is realised by a central information basis which allows to integrate existing infrastructures e.g. data bases. Once the user has been authenticated he has access to all relevant development data. Moreover the central information basis reduces the effort of data allocation. This work makes a contribution to the virtual aircraft development. The scope of the virtual development is the early analysis of the overall behaviour of an aircraft and thus the reduction of development costs and time

Compileroptimierung und parallele Code-Generierung für zeitkritische eingebettete Multiprozessorsysteme

Durch den voranschreitenden Trend der Digitalisierung gewinnen intelligente digitale Systeme in vielen Bereichen des täglichen Lebens zunehmend an Bedeutung. Dies betrifft insbesondere auch den Bereich sicherheitskritischer Echtzeitsysteme, für deren sicheren Betrieb die Echtzeitfähigkeit nachgewiesen werden muss. Im Gegensatz zu Anwendungsfeldern ohne diese Anforderung sind effiziente Mehrkernprozessoren in Echtzeitsystemen derzeit noch kaum verbreitet. Der Hauptgrund für die bisherige Dominanz der Einzelkernprozessoren sind fehlende Methoden und Werkzeuge, um parallele Echtzeit-Software für Mehrkernprozessoren zu entwickeln und selbst im ungünstigsten Fall noch eine maximale Ausführungszeit (englisch Worst Case Execution Time, kurz WCET) garantieren zu können. In diesem Kontext besteht eines der wesentlichen Probleme darin, dass sich parallel ablaufende Software-Routinen im Hinblick auf ihre Laufzeit gegenseitig beeinflussen können. In Mehrkernprozessoren geschieht dies vor allem bei gleichzeitigen Zugriffen mehrerer Kerne auf eine gemeinsam genutzte Hardware-Ressource. Geeignete Methoden, um den Einfluss dieser als Interferenz bezeichneten Effekte bei der Software-Entwicklung präzise vorherzusagen und sichere Garantien für die Ausführungszeit abzuleiten, sind Gegenstand aktueller Forschung. Gleiches gilt für Software-Werkzeuge zur automatischen Parallelisierung, die auf harte Echtzeitanwendungen spezialisiert sind. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Anwendbarkeit von Mehrkernprozessoren in Echtzeitsystemen durch Beiträge in den Bereichen der automatischen Software-Parallelisierung, Code-Optimierung und Hardware-Modellierung signifikant zu verbessern. Als Bestandteil einer Werkzeugkette zur automatischen Parallelisierung von sequentieller Echtzeit-Software wird in dieser Arbeit ein Compiler-Werkzeug zur WCET-optimierten parallelen Code-Generierung und ein zugehöriges paralleles Programmiermodell vorgestellt. Hierdurch können -- weitgehend ohne Zutun eines Endanwenders -- gut vorhersagbare parallele Programme erzeugt werden. Durch das Programmiermodell wird dabei sichergestellt, dass die Ausführungszeit, einschließlich der Interferenzeffekte, mit Hilfe einer statischen WCET-Analyse sicher nach oben abgeschätzt werden kann. Als Teil der Code-Generierung stellt die vorliegende Arbeit zwei Optimierungsmethoden vor, die zum einen den Kommunikations- und Synchronisationsaufwand zwischen den Prozessorkernen reduzieren und zum anderen die optimierte Allokation verteilter Speicher in heterogenen Speicherhierarchien ermöglichen. Erstere ist auf des parallele Programmiermodell abgestimmt und erlaubt die optimierte Platzierung von Kommunikations- und Synchronisationsoperationen sowie das Entfernen redundanter Synchronisation auf einer feingranularen Ebene. Die Optimierung der Speicherallokation ergänzt den Ansatz um ein formales Optimierungsmodell zur Zuweisung der Datenfelder eines generierten Programms zu den Speicherbereichen der Zielplattform. Das Modell bezieht dabei sowohl die Kosten für Interferenzeffekte als auch die Speicherhierarchie von Zielplattformen mit verteilten und heterogenen Speichern mit ein. Um die Schritte zur Generierung, Optimierung und Analyse von paralleler Echtzeit-Software weitgehend plattformunabhängig aufbauen zu können, beinhaltet die vorliegende Arbeit außerdem einen Ansatz zur generischen Modellierung von Mehrkernprozessorarchitekturen. Dieser erlaubt es, die Zielplattform mit Hilfe einer entsprechend erweiterten Architekturbeschreibungssprache (ADL) zu beschreiben, wodurch sich die darauf aufbauenden Entwicklungswerkzeuge mit überschaubarem Aufwand auf ein breites Spektrum von Hardware-Plattformen anwenden lassen. Mit dieser neuartigen Kombination erweitert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik um einige wesentliche Bausteine, die die weitgehend automatisierte Parallelisierung von Echtzeit-Software ohne stark einschränkende Annahmen bezüglich der Struktur des Eingabeprogramms ermöglichen. Zu den weiteren Neuerungen dieser Arbeit zählen die Plattformunabhängigkeit bei der WCET-optimierten Software-Parallelisierung und die Berücksichtigung von Interferenzeffekten bei der Speicherallokation in Echtzeitsystemen. Die experimentelle Evaluation der vorgestellten Methoden und deren prototypischer Umsetzung zeigt, dass die WCET aller betrachteten Testanwendungen von der Parallelisierung profitieren kann. Auf einer Plattform mit vier Prozessorkernen konnte z.B. die WCET einer Anwendung aus dem Bereich der Bildverarbeitung durch die Parallelisierung im Vergleich zum sequentiellen Eingabeprogramm um Faktor 3,21 verbessert werden. Auch die Optimierungsansätze für Kommunikation und Speicherallokation führen größtenteils zu einer deutlichen Verbesserung der WCET. So konnten die durch Interferenzen verursachten Kosten im Zuge der Speicherallokation z.B. um bis zu 49% reduziert werden. Insgesamt haben die Ergebnisse dieser Arbeit damit das Potential, die effiziente und kostengünstige Nutzung von Mehrkernprozessoren im Bereich harter Echtzeitsysteme wesentlich voranzutreiben

Analyse der Barrieren und Treiber zwischenbetrieblicher Softwareerstellung und Konstruktion einer Kollaborationsplattform für kleine und mittlere Unternehmen

Die Erstellung von Unternehmenssoftware gliedert sich zunehmend in die Herstellung von Komponenten durch einzelne Zulieferer, die von Systemintegratoren zusammengeführt und implementiert werden. Dadurch gewinnt die zwischenbetriebliche Zusammenarbeit in der Softwarebranche zunehmend an Bedeutung. Um den Wertschöpfungsprozess innerhalb dieser entstehenden, so genannten Softwarelieferketten zu stärken, werden mit dem vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg geförderten Projekt TASK die unternehmensübergreifende Entwicklung, Integration und Implementierung von Softwarekomponenten unterstützt. Dieser Artikel stellt zum einen die Struktur und den bisherigen Verlauf des Projekts vor, zum anderen werden wissenschaftliche Erkenntnisse aus der empirischen Analyse der Barrieren und Treiber zwischenbetrieblicher Softwareerstellung sowie der Gestaltung einer Kollaborationsplattform für die zwischenbetriebliche Softwareerstellung präsentiert. Den Abschluss bildet eine Diskussion aktueller und zukünftiger Probleme bei der Etablierung zwischenbetrieblicher Zusammenarbeit in der Softwareindustrie am Beispiel mittelständischer Unternehmen in Baden-Württemberg

Aufbau eines freigabe- und kommunikationsbasierten Assistenzsystems im Produktentstehungsprozess

Der Produktentwicklungsprozess ist zu einem der wesentlich Faktoren und Stellschrau-ben für den wirtschaftlichen Erfolg heutiger Produkte und deren Lebenszyklen gewor-den. Mittels Integrität und Standardisierung muss ein hoher Prozessüberlappungsgrad realisiert werden, um schneller, mit gesicherter Qualität und zu wirtschaftlichen Kosten ein Produkt auf den Markt bringen zu können. Das Freigabemanagement wird als das maßgebliche Instrumentarium im Zuge des Simultaneous Engineering zur Verkürzung der Produktentstehungszeit durch Prozessparallelisierung genutzt und individuellen Entwicklungsszenarien angepasst. Der präventiven Methodik des Freigabemanagements wird zudem das Änderungsmanagement als reaktive Vorgehensweise adaptiert. Durch zunehmend räumlich verteilte Entwicklungsvorhaben muss mit Prozessparallelisie-rungsbestrebungen eine Kommunikationsintensivierung einhergehen. Zu diesem Zweck wird ein Assistenzsystem entwickelt, dass es dem Entwickler erlaubt, Kommunikati-onsinstanz, -art und -intervall für einen individuellen Entwicklungsfall bestimmen zu können. Ein abschließendes Anwendungsbeispiel stellt den Praxisbezug her.The product development process became a substantial factor and adjustment for the economic success of today's products and their life cycles. By means of integrity and standardization, a high process parallelization degree must be realized, in order to re-lease products faster, with secured quality and economic market prices. The release management is used as the most relevant method in the course of Simultaneous Engi-neering for the shortening of the product development time by process parallelization. Releases, as a preventive method, and changes with a reactive character have to be adapted to individual development cases. By increasingly distanced development proj-ects, process parallelization requires communication intensification. For this purpose an assistance system is developed that permits the developer to define communication in-stances, communication kinds and communication intervals for an individual case of development. A case study establishes a practical purchase

Simulation pulsverarbeitender neuronaler Netze : eine ereignisgetriebene und verteilte Simulation pulsverarbeitender neuronaler Netze

In dieser Arbeit werden die Eigenschaften von pulsverarbeitenden Neuronalen Netzen (PVNN) untersucht und eine daraufhin optimierte Lösung in Form des Simulationssystems SPIKELAB vorgestellt. SPIKELAB implementiert eine ereignisgetriebene und verteilte Simulation, welche die Eigenschaften pulsverarbeitender neuronaler Netze, wie z. B. die geringe Aktivität dieser Netzwerke, deren spärliche Vernetzung und die Verzögerung zwischen Neuronen, explizit behandelt und ein dadurch gegebenes Optimierungspotential ausschöpft. Zudem werden die Pulse im Netzwerk alleine durch den Zeitpunkt ihres Auftretens modelliert, wodurch trotz der in SPIKELAB eingesetzten Optimierungen, ohne Eingriff in das Simulationsverfahren, nahezu beliebige Berechnungsmodelle für Neuronen implementiert werden können. Die ereignisgetriebene Simulation wird in dieser Arbeit quantitativ mit einem üblicherweise verwendeten Zeitscheibenverfahren verglichen. Die Beschleunigung durch eine Verteilung der Simulation wird quantitativ an repräsentativen Beispielnetzwerken aufgezeigt. Schließlich zeigt die in dieser Arbeit entwickelte Beschleunigungshardware RACER in welcher Weise eine ereignisgetriebene Simulation durch Hardware beschleunigt und wie analoge und digitale Hardware in die Simulation eingebunden werden kann