SAT-based Analysis, (Re-)Configuration & Optimization in the Context of Automotive Product documentation

Es gibt einen steigenden Trend hin zu kundenindividueller Massenproduktion (mass customization), insbesondere im Bereich der Automobilkonfiguration. Kundenindividuelle Massenproduktion führt zu einem enormen Anstieg der Komplexität. Es gibt Hunderte von Ausstattungsoptionen aus denen ein Kunde wählen kann um sich sein persönliches Auto zusammenzustellen. Die Anzahl der unterschiedlichen konfigurierbaren Autos eines deutschen Premium-Herstellers liegt für ein Fahrzeugmodell bei bis zu 10^80. SAT-basierte Methoden haben sich zur Verifikation der Stückliste (bill of materials) von Automobilkonfigurationen etabliert. Carsten Sinz hat Mitte der 90er im Bereich der SAT-basierten Verifikationsmethoden für die Daimler AG Pionierarbeit geleistet. Darauf aufbauend wurde nach 2005 ein produktives Software System bei der Daimler AG installiert. Später folgten weitere deutsche Automobilhersteller und installierten ebenfalls SAT-basierte Systeme zur Verifikation ihrer Stücklisten. Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Hauptteilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Entwicklung weiterer SAT-basierter Methoden für Automobilkonfigurationen. Wir zeigen, dass sich SAT-basierte Methoden für interaktive Automobilkonfiguration eignen. Wir behandeln unterschiedliche Aspekte der interaktiven Konfiguration. Darunter Konsistenzprüfung, Generierung von Beispielen, Erklärungen und die Vermeidung von Fehlkonfigurationen. Außerdem entwickeln wir SAT-basierte Methoden zur Verifikation von dynamischen Zusammenbauten. Ein dynamischer Zusammenbau repräsentiert die chronologische Zusammenbau-Reihenfolge komplexer Teile. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Optimierung von Automobilkonfigurationen. Wir erläutern und vergleichen unterschiedliche Optimierungsprobleme der Aussagenlogik sowie deren algorithmische Lösungsansätze. Wir beschreiben Anwendungsfälle aus der Automobilkonfiguration und zeigen wie diese als aussagenlogisches Optimierungsproblem formalisiert werden können. Beispielsweise möchte man zu einer Menge an Ausstattungswünschen ein Test-Fahrzeug mit minimaler Ergänzung weiterer Ausstattungen berechnen um Kosten zu sparen. DesWeiteren beschäftigen wir uns mit der Problemstellung eine kleinste Menge an Fahrzeugen zu berechnen um eine Testmenge abzudecken. Im Rahmen dieser Arbeit haben wir einen Prototypen eines (Re-)Konfigurators, genannt AutoConfig, entwickelt. Unser (Re-)Konfigurator verwendet im Kern SAT-basierte Methoden und besitzt eine grafische Benutzeroberfläche, welche interaktive Konfiguration erlaubt. AutoConfig kann mit Instanzen von drei großen deutschen Automobilherstellern umgehen, aber ist nicht alleine darauf beschränkt. Mit Hilfe dieses Prototyps wollen wir die Anwendbarkeit unserer Methoden demonstrieren

An introduction to personalization and mass customization

Mass customization as a state-of-the-art production paradigm aims to produce individualized, highly variant products and services with nearly mass production costs. A major side-effect for companies providing complex products and services is that customers quite often get confused by the high variety and do not make a purchase. Personalization technologies can help to alleviate the challenges of mass customization. These technologies support customers in specifying products and services that fit their wishes and needs in a fashion where decision and interaction efforts with sales support systems are significantly reduced. We provide a short overview of related research and the articles that are part of this special issue on Personalization and Mass Customization.Peer reviewe

Anytime diagnosis for reconfiguration

Many domains require scalable algorithms that help to determine diagnoses efficiently and often within predefined time limits. Anytime diagnosis is able to determine solutions in such a way and thus is especially useful in real-time scenarios such as production scheduling, robot control, and communication networks management where diagnosis and corresponding reconfiguration capabilities play a major role. Anytime diagnosis in many cases comes along with a trade-off between diagnosis quality and the efficiency of diagnostic reasoning. In this paper we introduce and analyze FLEXDIAG which is an anytime direct diagnosis approach. We evaluate the algorithm with regard to performance and diagnosis quality using a configuration benchmark from the domain of feature models and an industrial configuration knowledge base from the automotive domain. Results show that FLEXDIAG helps to significantly increase the performance of direct diagnosis search with corresponding quality tradeoffs in terms of minimality and accuracy

Detecting and Explaining Conflicts in Attributed Feature Models

Product configuration systems are often based on a variability model. The development of a variability model is a time consuming and error-prone process. Considering the ongoing development of products, the variability model has to be adapted frequently. These changes often lead to mistakes, such that some products cannot be derived from the model anymore, that undesired products are derivable or that there are contradictions in the variability model. In this paper, we propose an approach to discover and to explain contradictions in attributed feature models efficiently in order to assist the developer with the correction of mistakes. We use extended feature models with attributes and arithmetic constraints, translate them into a constraint satisfaction problem and explore those for contradictions. When a contradiction is found, the constraints are searched for a set of contradicting relations by the QuickXplain algorithm.Comment: In Proceedings FMSPLE 2015, arXiv:1504.0301

Automated Diagnosis of Product-line Configuration Errors in Feature Models

Feature models are widely used to model software product-line (SPL) variability. SPL variants are configured by selecting feature sets that satisfy feature model constraints. Configuration of large feature models can involve multiple stages and participants, which makes it hard to avoid conflicts and errors. New techniques are therefore needed to debug invalid configurations and derive the minimal set of changes to fix flawed configurations. This paper provides three contributions to debugging feature model configurations: (1) we present a technique for transforming a flawed feature model configuration into a Constraint Satisfaction Problem (CSP) and show how a constraint solver can derive the minimal set of feature selection changes to fix an invalid configuration, (2) we show how this diagnosis CSP can automatically resolve conflicts between configuration participant decisions, and (3) we present experiment results that evaluate our technique. These results show that our technique scales to models with over 5,000 features, which is well beyond the size used to validate other automated techniques.Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología TIN2006-0047

New Formal Methods for Automotive Configuration

Die Komplexität der Automobilkonfiguration hat in den letzten Jahrzehnten extrem zugenommen. Ein typischer deutscher Premiumhersteller kann bis zu 10^80 Varianten eines einzigen Fahrzeugmodells bauen. Dieser Variantenreichtum muss jedoch entlang der gesamten Prozesskette—vom Produktentstehungsprozess bis hin zur Fertigung im Werk—verwaltet und beherrscht werden. Hierzu müssen von Experten einerseits die vom Kunden bestellbaren Fahrzeuge dokumentiert werden (High Level Regelwerk), andererseits müssen diesen Fahrzeugen physikalische Teile, Steuergeräte und Softwarekonfigurationen zugeordnet werden (Low Level Regelwerk). Die vorliegende Arbeit führt einen neuen generischen Formalismus für Konfigurationsdaten in der Automobilindustrie ein und präsentiert einen ausführlichen Überblick über die in der Industrie vorkommenden Prüfmöglichkeiten. In verschiedenen Industriekooperationen mit z.B. Audi, BMW, Daimler, Opel und VW wurde verifiziert, dass dieser Formalismus auf diese Hersteller übertragbar ist. Viele der bestehenden Prüfalgorithmen werden in dieser Dissertation entscheidend optimiert und werden im Rahmen des neuen generischen Frameworks formuliert. Es werden neue Prüf- und Analysemöglichkeiten auf Konfigurationsdaten vorgestellt. Dies sind unter anderem das Zählen baubarer Fahrzeuge, die Berechnung minimaler und maximaler Kundenorders oder die Berechnung von direkten Zwängen in der Konfigurationsbasis. Ein Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Einführung der Booleschen Quantorenelimination in der Automobilkonfiguration. Während die Quantorenelimination bisher vor allem im Bereich des symbolischen Modelcheckings zu finden war, werden hier zwei Anwendungen in der Automobilindustrie identifiziert, die großes Interesse in den industriellen Kooperationen erweckt haben. Es werden verschiedene Ansätze zur Booleschen Quantorenelimination vorgestellt und bezüglich der Anwendungen evaluiert. Im Rahmen dieser Arbeit entstand die Softwarebibliothek AutoLib, die die vorgestellten Algorithmen implementiert und vor allem einen neuen SAT Solver mit sich bringt, der sowohl Inkrementalität und Dekrementalität, als auch das sogenannte Proof Tracing, also das Aufzeichnen von Beweisen bei Nicht-Erfüllbarkeit, implementiert. Nach unserem Wissen ist dies der einzige SAT Solver, der diese beiden Funktionen auch in Kombination unterstützt. AutoLib wird aktuell in einem Produktivsystem bei BMW sowie in Prototypen bei Audi/VW und bei Daimler eingesetzt. Alle Algorithmen, die in dieser Arbeit präsentiert werden, wurden in einer Mach- barkeitsstudie bei BMW in den Jahren 2012 und 2013 implementiert und auf ihre industrielle Einsetzbarkeit hin verifiziert. Ein Produktivsystem, das Teile dieser Algorithmen umfasst und auf AutoLib basiert, hatte im Mai 2014 GoLive bei BMW

Automated Reasoning for Multi-step Feature Model Configuration Problems

The increasing complexity and cost of software-intensive systems has led developers to seek ways of increasing software reusability. One software reuse approach is to develop a Software Product-line (SPL), which is a reconfigurable software architecture that can be reused across projects. Creating configurations of the SPL that meets arbitrary requirements is hard. Existing research has focused on techniques that produce a configuration of the SPL in a single step. This paper provides three contributions to the study of multi-step configuration for SPLs. First, we present a formal model of multi-step SPL configuration and map this model to constraint satisfaction problems (CSPs). Second, we show how solutions to these CSP configuration problem CSPs can be derived automatically with a constraint solver. Third, we present empirical results demonstrating that our CSP-based technique can solve multi-step configuration problems involving hundreds of features in seconds.Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología TIN2006-00472Junta de Andalucía TIC-253

On Formal Methods for Large-Scale Product Configuration

<p>In product development companies mass customization is widely used to achieve better customer satisfaction while keeping costs down. To efficiently implement mass customization, product platforms are often used. A product platform allows building a wide range of products from a set of predefined components. The process of matching these components to customers' needs is called product configuration. Not all components can be combined with each other due to restrictions of various kinds, for example, geometrical, marketing and legal reasons. Product design engineers develop configuration constraints to describe such restrictions. The number of constraints and the complexity of the relations between them are immense for complex product like a vehicle. Thus, it is both error-prone and time consuming to analyze, author and verify the constraints manually. Software tools based on formal methods can help engineers to avoid making errors when working with configuration constraints, thus design a correct product faster.</p> <p>This thesis introduces a number of formal methods to help engineers maintain, verify and analyze product configuration constraints. These methods provide automatic verification of constraints and computational support for analyzing and refactoring constraints. The methods also allow verifying the correctness of one specific type of constraints, item usage rules, for sets of mutually-exclusive required items, and automatic verification of equivalence of different formulations of the constraints. The thesis also introduces three methods for efficient enumeration of valid partial configurations, with benchmarking of the methods on an industrial dataset.</p> <p>Handling large-scale industrial product configuration problems demands high efficiency from the software methods. This thesis investigates a number of search-based and knowledge-compilation-based methods for working with large product configuration instances, including Boolean satisfiability solvers, binary decision diagrams and decomposable negation normal form. This thesis also proposes a novel method based on supervisory control theory for efficient reasoning about product configuration data. The methods were implemented in a tool, to investigate the applicability of the methods for handling large product configuration problems. It was found that search-based Boolean satisfiability solvers with incremental capabilities are well suited for industrial configuration problems.</p> <p>The methods proposed in this thesis exhibit good performance on practical configuration problems, and have a potential to be implemented in industry to support product design engineers in creating and maintaining configuration constraints, and speed up the development of product platforms and new products.</p

Automated analysis of feature models: Quo vadis?

Feature models have been used since the 90's to describe software product lines as a way of reusing common parts in a family of software systems. In 2010, a systematic literature review was published summarizing the advances and settling the basis of the area of Automated Analysis of Feature Models (AAFM). From then on, different studies have applied the AAFM in different domains. In this paper, we provide an overview of the evolution of this field since 2010 by performing a systematic mapping study considering 423 primary sources. We found six different variability facets where the AAFM is being applied that define the tendencies: product configuration and derivation; testing and evolution; reverse engineering; multi-model variability-analysis; variability modelling and variability-intensive systems. We also confirmed that there is a lack of industrial evidence in most of the cases. Finally, we present where and when the papers have been published and who are the authors and institutions that are contributing to the field. We observed that the maturity is proven by the increment in the number of journals published along the years as well as the diversity of conferences and workshops where papers are published. We also suggest some synergies with other areas such as cloud or mobile computing among others that can motivate further research in the future.Ministerio de Economía y Competitividad TIN2015-70560-RJunta de Andalucía TIC-186