A Review Of Cloud Manufacturing: Issues And Opportunities

Cloud Manufacturing (CM) is the latest manufacturing paradigm that enables manufacturing to be looked upon as a service industry.The aim is to offer manufacturing as a service so that an individual or organization is willing to manufacture products and utilize this service without having to make capital investment.However,industry adoption of CM paradigm is still limited.This paper compared the current adoption of CM by the industry with the ideal CM environment.The gaps between the two were identified and related research topics were reviewed. This paper also outlined research areas to be pursued to facilitate CM adoption by the manufacturing industry.This will also improve manufacturing resource utilization efficiencies not only within an organization but globally.At the end,the cost benefits will be passed down to end customer

QoS-Based Optimization of Runtime Management of Sensing Cloud Applications

Die vorliegende Arbeit präsentiert Ansätze und Techniken zur qualitätsbewussten Verbesserung des Laufzeitmanagements von IoT-Anwendungen. IoT-Anwendungen nehmen über die Sensorik von Smart Devices ihre Umgebung wahr, um diese zu analysieren oder mit ihr zu interagieren. Smart Devices sind in der Rechen- und Speicherleistung begrenzt, weshalb viele IoT-Anwendungen über eine IoT Plattform mit elastischen und skalierbaren Cloud Services verbunden sind. Die Last auf dem Cloud Service entsteht durch die verbundenen Smart Devices, die kontinuierlich Nachrichten transferieren. Die Ressourcenkonfiguration des Cloud Services beeinflusst dessen Kapazität. Ein Service Operator, der eine IoT-Anwendung betreibt, ist mit der Herausforderung konfrontiert, die Smart Devices und den Cloud Service so zu konfigurieren, dass eine hohe Datenqualität bei niedrigen Betriebskosten erreicht wird. Um hierbei den Service Operator zur Design Time zu unterstützen, modellieren wir Kostenfunktionen für Datenqualitäten, die durch das Wechselspiel der Smart Device- und Cloud Service-Konfiguration beeinflusst werden. Mit Hilfe dieser Kostenfunktionen kann ein Service Operator nach einer kostenminimalen Konfiguration für bestimmte Szenarien suchen. Existierende Ansätze zur Optimierung von Anwendungen zur Design Time fokussieren sich auf traditionelle Software-Architekturen und bieten daher nicht die notwendigen Konzepte zur Kostenmodellierung von IoT-Anwendungen an. Des Weiteren unterstützen wir den Service Operator durch Lastkontrollverfahren, die auf Kapazitätsengpässe des Cloud Services durch eine kontrollierte Reduktion der Nachrichtenrate reagieren. Während sich das auf die Genauigkeit der Messungen nachteilig auswirken kann, stabilisieren sich zeitliche Verzögerungen und die IoT-Anwendung bleibt auch in starken Überlastszenarien verfügbar. Existierende Laufzeittechniken fokussieren sich auf die automatische Ressourcenprovisionierung von Cloud Services durch Auto-Scaler. Diese ermöglichen zwar, auf Kapazitätsengpässe und Lastschwankungen zu reagieren, doch die erreichte Quality-of-Service (QoS) kann dadurch mit hohen Betriebskosten verbunden sein. Daher ermöglichen wir durch die Lastkontrollverfahren eine weitere Technik, mit der einerseits dynamisch auf Kapazitätsengpässe reagiert werden und andererseits die zur Verfügung stehende Kapazität eines Cloud Services effizient genutzt werden kann. Außerdem präsentieren wir Kopplungstechniken, die Auto-Scaling und Lastkontrollverfahren kombinieren. Bestehende Ansätze zur Rekonfiguration von Smart Devices konzentrieren sich auf Qualitäten wie Genauigkeit oder Energie-Effizienz und sind daher ungeeignet, um auf Kapazitätsengpässe zu reagieren. Zusammenfassend liefert die Dissertation die folgenden Beiträge: 1. Untersuchung von Performance Metriken für Skalierentscheidungen: Wir haben Infrastuktur- und Anwendungsebenen-Metriken daraufhin evaluiert, wie geeignet sie für Skalierentscheidungen von Microservices sind, die variierende Charakteristiken aufweisen. Auf Basis der Ergebnisse kann ein Service Operator eine fundierte Entscheidung darüber treffen, welche Performance Metrik zur Skalierung eines bestimmten Microservices am geeignesten ist. 2. Design von QoS Kostenfunktionen für IoT-Anwendungen: Wir haben ein QoS Kostenmodell aufgestellt, dass das Wirken von Smart Device- und Cloud Service-Konfiguration auf die Qualitäten einer IoT-Anwendung erfasst. Auf Grundlage dieser Kostenmodelle kann die Konfiguration von IoT-Anwendungen zur Design Time optimiert werden. Des Weiteren können mit den Kostenfunktionen Laufzeitverfahren hinsichtlich ihrem Beitrag zur QoS für verschiedene Szenarien evaluiert werden. 3. Entwicklung von Lastkontrollverfahren für IoT-Anwendungen: Die präsentierten Verfahren bieten einen komplementären Mechanismus zu Auto-Scaling an, um bei Kapazitätsengpässen die QoS aufrechtzuerhalten. Hierbei wird die Gesamtlast auf dem Cloud Service durch Anpassungen der Nachrichtenrate der Smart Devices reduziert. Ein Service Operator hat hiermit die Möglichkeit, Kapazitätsengpässen über eine Degradierung der Datenqualität zu begegnen. 4. Kopplung von Lastkontrollverfahren mit Ressourcen-Provisionierung: Wir präsentieren regelbasierte Kopplungsmechanismen, die reaktiv Lastkontrollverfahren oder Auto-Scaler aktivieren und diese damit koppeln. Das ermöglicht, auf Kapazitätsengpässe über eine Kombination von Datenqualitätsreduzierungen und Ressourcekostenerhöhungen zu reagieren. 5. Design eines Frameworks zur Entwicklung selbst-adaptiver Systeme: Das selbst-adaptive Framework bietet ein Anwendungsmodell für IoT-Anwendungen und Konzepte für die Rekonfiguration von Microservices und Smart Devices an. Es kann in verschiedenen Cloud-Umgebungen aufgesetzt werden und beschleunigt die prototypische Entwicklung von Laufzeitverfahren. Wir validierten die Ansätze anhand zweier Case Study Systeme unterschiedlicher Komplexität. Das erste Case Study System besteht aus einem Cloud Service, welcher über eine IoT Plattform Nachrichten von virtuellen Smart Devices verarbeitet. Mit diesem System haben wir für unterschiedliche Anwendungsszenarien die Charakteristiken der vorgestellten Lastkontrollverfahren analysiert, um diese gegen Auto-Scaling und einer Kopplung der Ansätze zu vergleichen. Hierbei stellte sich heraus, dass die Lastkontrollverfahren ähnlich effizient wie Auto-Scaler Überlastszenarien addressieren können und sich die QoS in einem vergleichbaren Bereich bewegt. Im Schnitt erreichten die Lastkontrollverfahren in den untersuchten Szenarien etwa 50 % geringere QoS Gesamtkosten. Es zeigte sich auch, dass sowohl Auto-Scaling als auch die Lastkontrollverfahren in bestimmten Anwendungsszenarien deutliche Nachteile haben, so z. B. wenn die Datengenauigkeit oder Ressourcenkosten im Vordergrund stehen. Es hat sich gezeigt, dass eine Kopplung hierbei immer vorteilhaft ist, um die QoS beizubehalten. Im zweiten Case Study System haben wir eine intelligente Heizungslösung der Robert Bosch GmbH implementiert, um die Ansätze an einem komplexeren System zu validieren. Auch hier zeigte sich, dass eine Kombination von Lastkontrolle und Auto-Scaling am vorteilhaftesten ist und zu einer hohen Datenqualität bei geringen Ressourcenkosten beiträgt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellten Lastkontrollverfahren geeignet sind, die QoS von IoT Anwendungen zu verbessern. Es bietet einem Service Operator damit ein weiteres Werkzeug für das Laufzeitmanagement von IoT Anwendungen, dass einen zum Auto-Scaling komplementären Mechanismus verwendet. Das hier vorgestellte Framework zur Entwicklung selbst-adaptiver IoT Systeme haben wir zur empirischen Beantwortung der Forschungsfragen instanziiert und damit dessen Eignung demonstriert. Wir zeigen außerdem eine exemplarische Verwendung der vorgestellten Kostenfunktionen für verschiedene Anwendungsszenarien und binden diese im Zuge der Validierung in einem Optimierungs-Framework ein

A Review of Cloud Manufacturing: Issues and Opportunities

Cloud Manufacturing (CM) is the latest manufacturing paradigm that enables manufacturing to be looked upon as a service industry. The aim is to offer manufacturing as a service so that an individual or organization is willing to manufacture products and utilize this service without having to make capital investment. However, industry adoption of CM paradigm is still limited.  This paper compared the current adoption of CM by the industry with the ideal CM environment.  The gaps between the two were identified and related research topics were reviewed.  This paper also outlined research areas to be pursued to facilitate CM adoption by the manufacturing industry.  This will also improve manufacturing resource utilization efficiencies not only within an organization but globally.  At the end, the cost benefits will be passed down to end customer

Adaptation-Aware Architecture Modeling and Analysis of Energy Efficiency for Software Systems

This thesis presents an approach for the design time analysis of energy efficiency for static and self-adaptive software systems. The quality characteristics of a software system, such as performance and operating costs, strongly depend upon its architecture. Software architecture is a high-level view on software artifacts that reflects essential quality characteristics of a system under design. Design decisions made on an architectural level have a decisive impact on the quality of a system. Revising architectural design decisions late into development requires significant effort. Architectural analyses allow software architects to reason about the impact of design decisions on quality, based on an architectural description of the system. An essential quality goal is the reduction of cost while maintaining other quality goals. Power consumption accounts for a significant part of the Total Cost of Ownership (TCO) of data centers. In 2010, data centers contributed 1.3% of the world-wide power consumption. However, reasoning on the energy efficiency of software systems is excluded from the systematic analysis of software architectures at design time. Energy efficiency can only be evaluated once the system is deployed and operational. One approach to reduce power consumption or cost is the introduction of self-adaptivity to a software system. Self-adaptive software systems execute adaptations to provision costly resources dependent on user load. The execution of reconfigurations can increase energy efficiency and reduce cost. If performed improperly, however, the additional resources required to execute a reconfiguration may exceed their positive effect. Existing architecture-level energy analysis approaches offer limited accuracy or only consider a limited set of system features, e.g., the used communication style. Predictive approaches from the embedded systems and Cloud Computing domain operate on an abstraction that is not suited for architectural analysis. The execution of adaptations can consume additional resources. The additional consumption can reduce performance and energy efficiency. Design time quality analyses for self-adaptive software systems ignore this transient effect of adaptations. This thesis makes the following contributions to enable the systematic consideration of energy efficiency in the architectural design of self-adaptive software systems: First, it presents a modeling language that captures power consumption characteristics on an architectural abstraction level. Second, it introduces an energy efficiency analysis approach that uses instances of our power consumption modeling language in combination with existing performance analyses for architecture models. The developed analysis supports reasoning on energy efficiency for static and self-adaptive software systems. Third, to ease the specification of power consumption characteristics, we provide a method for extracting power models for server environments. The method encompasses an automated profiling of servers based on a set of restrictions defined by the user. A model training framework extracts a set of power models specified in our modeling language from the resulting profile. The method ranks the trained power models based on their predicted accuracy. Lastly, this thesis introduces a systematic modeling and analysis approach for considering transient effects in design time quality analyses. The approach explicitly models inter-dependencies between reconfigurations, performance and power consumption. We provide a formalization of the execution semantics of the model. Additionally, we discuss how our approach can be integrated with existing quality analyses of self-adaptive software systems. We validated the accuracy, applicability, and appropriateness of our approach in a variety of case studies. The first two case studies investigated the accuracy and appropriateness of our modeling and analysis approach. The first study evaluated the impact of design decisions on the energy efficiency of a media hosting application. The energy consumption predictions achieved an absolute error lower than 5.5% across different user loads. Our approach predicted the relative impact of the design decision on energy efficiency with an error of less than 18.94%. The second case study used two variants of the Spring-based community case study system PetClinic. The case study complements the accuracy and appropriateness evaluation of our modeling and analysis approach. We were able to predict the energy consumption of both variants with an absolute error of no more than 2.38%. In contrast to the first case study, we derived all models automatically, using our power model extraction framework, as well as an extraction framework for performance models. The third case study applied our model-based prediction to evaluate the effect of different self-adaptation algorithms on energy efficiency. It involved scientific workloads executed in a virtualized environment. Our approach predicted the energy consumption with an error below 7.1%, even though we used coarse grained measurement data of low accuracy to train the input models. The fourth case study evaluated the appropriateness and accuracy of the automated model extraction method using a set of Big Data and enterprise workloads. Our method produced power models with prediction errors below 5.9%. A secondary study evaluated the accuracy of extracted power models for different Virtual Machine (VM) migration scenarios. The results of the fifth case study showed that our approach for modeling transient effects improved the prediction accuracy for a horizontally scaling application. Leveraging the improved accuracy, we were able to identify design deficiencies of the application that otherwise would have remained unnoticed

CILP: Co-simulation based imitation learner for dynamic resource provisioning in cloud computing environments

Intelligent Virtual Machine (VM) provisioning is central to cost and resource efficient computation in cloud computing environments. As bootstrapping VMs is time-consuming, a key challenge for latency-critical tasks is to predict future workload demands to provision VMs proactively. However, existing AI-based solutions tend to not holistically consider all crucial aspects such as provisioning overheads, heterogeneous VM costs and Quality of Service (QoS) of the cloud system. To address this, we propose a novel method, called CILP, that formulates the VM provisioning problem as two sub-problems of prediction and optimization, where the provisioning plan is optimized based on predicted workload demands. CILP leverages a neural network as a surrogate model to predict future workload demands with a co-simulated digital-twin of the infrastructure to compute QoS scores. We extend the neural network to also act as an imitation learner that dynamically decides the optimal VM provisioning plan. A transformer based neural model reduces training and inference overheads while our novel two-phase decision making loop facilitates in making informed provisioning decisions. Crucially, we address limitations of prior work by including resource utilization, deployment costs and provisioning overheads to inform the provisioning decisions in our imitation learning framework. Experiments with three public benchmarks demonstrate that CILP gives up to 22% higher resource utilization, 14% higher QoS scores and 44% lower execution costs compared to the current online and offline optimization based state-of-the-art methods

Benchmarking of Tools for User Experience Analysis in Industry 4.0

Abstract Industry 4.0 paradigm is based on systems communication and cooperation with each other and with humans in real time to improve process performances in terms of productivity, security, energy efficiency, and cost. Although industrial processes are more and more automated, human performance is still the main responsible for product quality and factory productivity. In this context, understanding how workers interact with production systems and how they experience the factory environment is fundamental to properly model the human interaction and optimize the processes. This research investigates the available technologies to monitor the user experience (UX) and defines a set of tools to be applied in the Industry 4.0 scenario to assure the workers' wellbeing, safety and satisfaction and improve the overall factory performance

Ensemble-based network edge processing

Estimating energy costs for an industrial process can be computationally intensive and time consuming, especially as it can involve data collection from different (distributed) monitoring sensors. Industrial processes have an implicit complexity involving the use of multiple appliances (devices/ sub-systems) attached to operation schedules, electrical capacity and optimisation setpoints which need to be determined for achieving operational cost objectives. Addressing the complexity associated with an industrial workflow (i.e. range and type of tasks) leads to increased requirements on the computing infrastructure. Such requirements can include achieving execution performance targets per processing unit within a particular size of infrastructure i.e. processing & data storage nodes to complete a computational analysis task within a specific deadline. The use of ensemblebased edge processing is identifed to meet these Quality of Service targets, whereby edge nodes can be used to distribute the computational load across a distributed infrastructure. Rather than relying on a single edge node, we propose the combined use of an ensemble of such nodes to overcome processing, data privacy/ security and reliability constraints. We propose an ensemble-based network processing model to facilitate distributed execution of energy simulations tasks within an industrial process. A scenario based on energy profiling within a fisheries plant is used to illustrate the use of an edge ensemble. The suggested approach is however general in scope and can be used in other similar application domains