Control Network Performance Engineering: Qualitätsorientierter Entwurf von CSMA-Netzwerken der Automation

Beim Entwurf großer Netzwerke der Automation ermöglichen Methoden der Leistungsbewertung den Test und die Dimensionierung eines Netzwerkes bereits vor der Inbetriebnahme und erlauben damit einen effizienten, qualitätsorientierten Entwurf. Es ist jedoch sehr wissensintensiv und aufwendig, entsprechende Analyse- oder Simulations-Modelle aufzustellen und die Ergebnisse auszuwerten, weshalb die Methoden in der Praxis der Automation selten verwendet werden. Viel vertrauter sind dem Entwerfer hingegen die speziellen Software-Tools, mit denen in der Automation Netzwerke entworfen werden. Auf Basis der Datenbanken dieser Tools werden in dieser Arbeit verschieden Verfahren zur automatischen Systemmodellierung, Verkehrsmodellierung, Leistungsbewertung und Fehlerdiagnose zu einem Control Network Performance Engineering kombiniert, welches die Qualitätsbewertung und -beratung nahtlos und ohne Mehraufwand in den Netzwerkentwurf integriert. (Die Dissertation wurde veröffentlicht im Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Internet: http://www.vogtverlag.de/, email: [email protected], ISBN 978-3-938860-10-6)During the design of large automation networks, performance analysis methods can be used for testing and dimensioning the network before implementation and are essential for an efficient and reliable design process. However, setting up the necessary analytical or simulative models is time-consuming, requires in-depth knowledge, and is therefore often not applicable in practice. The network designers are much more used to the design tools used to develop automation networks. Based on these tools' databases various methods for automated system and traffic modeling, performance analysis and diagnoses are combined in the control network performance engineering that seamlessly integrates quality analysis and consulting into network design without requiring additional effort. (This manuscript is also available - in the form of a book - from Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Germany world-wide web address: http://www.vogtverlag.de/, electronic-mail address: [email protected], ISBN 978-3-938860-10-6

Design Space Exploration for Building Automation Systems

In the building automation domain, there are gaps among various tasks related to design engineering. As a result created system designs must be adapted to the given requirements on system functionality, which is related to increased costs and engineering effort than planned. For this reason standards are prepared to enable a coordination among these tasks by providing guidelines and unified artifacts for the design. Moreover, a huge variety of prefabricated devices offered from different manufacturers on the market for building automation that realize building automation functions by preprogrammed software components. Current methods for design creation do not consider this variety and design solution is limited to product lines of a few manufacturers and expertise of system integrators. Correspondingly, this results in design solutions of a limited quality. Thus, a great optimization potential of the quality of design solutions and coordination of tasks related to design engineering arises. For given design requirements, the existence of a high number of devices that realize required functions leads to a combinatorial explosion of design alternatives at different price and quality levels. Finding optimal design alternatives is a hard problem to which a new solution method is proposed based on heuristical approaches. By integrating problem specific knowledge into algorithms based on heuristics, a promisingly high optimization performance is achieved. Further, optimization algorithms are conceived to consider a set of flexibly defined quality criteria specified by users and achieve system design solutions of high quality. In order to realize this idea, optimization algorithms are proposed in this thesis based on goal-oriented operations that achieve a balanced convergence and exploration behavior for a search in the design space applied in different strategies. Further, a component model is proposed that enables a seamless integration of design engineering tasks according to the related standards and application of optimization algorithms.:1 Introduction 17 1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3 Goals and Use of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.4 Solution Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.5 Organization of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2 Design Creation for Building Automation Systems 25 2.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2 Engineering of Building Automation Systems . . . . . . . . . . . 29 2.3 Network Protocols of Building Automation Systems . . . . . . . 33 2.4 Existing Solutions for Design Creation . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 The Device Interoperability Problem . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6 Guidelines for Planning of Room Automation Systems . . . . . . 38 2.7 Quality Requirements on BAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.8 Quality Requirements on Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.8.1 Quality Requirements Related to Project Planning . . . . 42 2.8.2 Quality Requirements Related to Project Implementation 43 2.9 Quality Requirements on Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3 The Design Creation Task 47 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2 System Design Composition Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2.1 Abstract and Detailed Design Model . . . . . . . . . . . . 49 3.2.2 Mapping Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3 Formulation of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.1 Problem properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3.2 Requirements on Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4 Solution Methods for Design Generation and Optimization 59 4.1 Combinatorial Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Metaheuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.3 Examples for Metaheuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.1 Simulated Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.2 Tabu Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3.3 Ant Colony Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.4 Evolutionary Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4 Choice of the Solver Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.5 Specialized Methods for Diversity Preservation . . . . . . . . . . 70 4.6 Approaches for Real World Problems . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.6.1 Component-Based Mapping Problems . . . . . . . . . . . 71 4.6.2 Network Design Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.6.3 Comparison of Solution Methods . . . . . . . . . . . . . . 74 4.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5 Automated Creation of Optimized Designs 79 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2 Design Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3 Component Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.3.1 Presumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.3.2 Integration of Component Model . . . . . . . . . . . . . . 87 5.4 Design Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.4.1 Component Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.4.2 Generation Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.5 Design Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.5.1 Problems and Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.5.2 Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.5.3 Application Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.6 Realization of the Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.6.1 Objective Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.6.2 Individual Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.7 Automated Design Creation For A Building . . . . . . . . . . . . 124 5.7.1 Room Spanning Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.7.2 Flexible Rooms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.7.3 Technology Spanning Designs . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.7.4 Preferences for Mapping of Function Blocks to Devices . . 132 5.8 Further Uses and Applicability of the Approach . . . . . . . . . . 133 5.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6 Validation and Performance Analysis 137 6.1 Validation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 6.2 Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 6.3 Example Abstract Designs and Performance Tests . . . . . . . . 139 6.3.1 Criteria for Choosing Example Abstract Designs . . . . . 139 6.3.2 Example Abstract Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 6.3.3 Performance Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.3.4 Population Size P - Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 151 6.3.5 Cross-Over Probability pC - Analysis . . . . . . . . . . . 157 6.3.6 Mutation Probability pM - Analysis . . . . . . . . . . . . 162 6.3.7 Discussion for Optimization Results and Example Designs 168 6.3.8 Resource Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 6.3.9 Parallelism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.4 Optimization Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.5 Framework Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.5.1 Components and Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.5.2 Workflow Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.5.3 Optimization Control By Graphical User Interface . . . . 180 6.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 7 Conclusions 185 A Appendix of Designs 189 Bibliography 201 Index 21

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Beim Entwurf großer Netzwerke der Automation ermöglichen Methoden der Leistungsbewertung den Test und die Dimensionierung eines Netzwerkes bereits vor der Inbetriebnahme und erlauben damit einen effizienten, qualitätsorientierten Entwurf. Es ist jedoch sehr wissensintensiv und aufwendig, entsprechende Analyse- oder Simulations-Modelle aufzustellen und die Ergebnisse auszuwerten, weshalb die Methoden in der Praxis der Automation selten verwendet werden. Viel vertrauter sind dem Entwerfer hingegen die speziellen Software-Tools, mit denen in der Automation Netzwerke entworfen werden. Auf Basis der Datenbanken dieser Tools werden in dieser Arbeit verschieden Verfahren zur automatischen Systemmodellierung, Verkehrsmodellierung, Leistungsbewertung und Fehlerdiagnose zu einem Control Network Performance Engineering kombiniert, welches die Qualitätsbewertung und -beratung nahtlos und ohne Mehraufwand in den Netzwerkentwurf integriert. (Die Dissertation wurde veröffentlicht im Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Internet: http://www.vogtverlag.de/, email: [email protected], ISBN 978-3-938860-10-6)During the design of large automation networks, performance analysis methods can be used for testing and dimensioning the network before implementation and are essential for an efficient and reliable design process. However, setting up the necessary analytical or simulative models is time-consuming, requires in-depth knowledge, and is therefore often not applicable in practice. The network designers are much more used to the design tools used to develop automation networks. Based on these tools' databases various methods for automated system and traffic modeling, performance analysis and diagnoses are combined in the control network performance engineering that seamlessly integrates quality analysis and consulting into network design without requiring additional effort. (This manuscript is also available - in the form of a book - from Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Germany world-wide web address: http://www.vogtverlag.de/, electronic-mail address: [email protected], ISBN 978-3-938860-10-6

Control Network Performance Engineering Qualitätsorientierter Entwurf von CSMA-Netzwerken der Automation

Beim Entwurf großer Netzwerke der Automation ermöglichen Methoden der Leistungsbewertung den Test und die Dimensionierung eines Netzwerkes bereits vor der Inbetriebnahme und erlauben damit einen effizienten, qualitätsorientierten Entwurf. Es ist jedoch sehr wissensintensiv und aufwendig, entsprechende Analyse- oder Simulations-Modelle aufzustellen und die Ergebnisse auszuwerten, weshalb die Methoden in der Praxis der Automation selten verwendet werden. Viel vertrauter sind dem Entwerfer hingegen die speziellen Software-Tools, mit denen in der Automation Netzwerke entworfen werden. Auf Basis der Datenbanken dieser Tools werden in dieser Arbeit verschieden Verfahren zur automatischen Systemmodellierung, Verkehrsmodellierung, Leistungsbewertung und Fehlerdiagnose zu einem Control Network Performance Engineering kombiniert, welches die Qualitätsbewertung und -beratung nahtlos und ohne Mehraufwand in den Netzwerkentwurf integriert. (Die Dissertation wurde veröffentlicht im Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Internet: http://www.vogtverlag.de/, email: [email protected], ISBN 978-3-938860-10-6)During the design of large automation networks, performance analysis methods can be used for testing and dimensioning the network before implementation and are essential for an efficient and reliable design process. However, setting up the necessary analytical or simulative models is time-consuming, requires in-depth knowledge, and is therefore often not applicable in practice. The network designers are much more used to the design tools used to develop automation networks. Based on these tools' databases various methods for automated system and traffic modeling, performance analysis and diagnoses are combined in the control network performance engineering that seamlessly integrates quality analysis and consulting into network design without requiring additional effort. (This manuscript is also available - in the form of a book - from Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Germany world-wide web address: http://www.vogtverlag.de/, electronic-mail address: [email protected], ISBN 978-3-938860-10-6