The Challenge of Component Purchasing Excellence – a Case Study at Nahoj Nim

Nahoj Nim has for a long time been very successful at developing, producing and selling packaging solutions for the food industry. Today, however, Nahoj Nim faces a new challenge as competitors are gaining market shares. The purchasing unit Component & Technical Consultant Purchasing (hereafter referred to as C&TCP), involved in sourcing, contracting and managing the supplier base for components and technical consultants, have until now had no or little involvement in the product development and production processes. In product development the designers have historically had the liberty to choose components and parts as well as suppliers simply by technology standards. No or little attention has been directed towards the commercial aspects, which has lead to a proliferation of different components used and the supplier base has grown rapidly. As Nahoj Nim faces new challenges, so does C&TCP. In order to be able to support the business with an efficient and structured purchasing of components and technical consultants C&TCP needs to make some changes. Purpose: The purpose of this thesis is to describe and analyze the purchasing function Component & Technical Consultant Purchasing and to suggest organizational changes in order to achieve purchasing excellence. Methodology: The research has been conducted as a descriptive case-study in order to do an in-depth analysis of the present situation. The qualitative collection of the primary empirical data has mainly been made by numerous interviews, internally at C&TCP as well as externally with key informants at Nahoj Nim in Lund, Sweden, and Modena, Italy. The secondary data has been gathered from written sources; literature, articles and e-sources. Conclusions: The purchasing of components and technical consultants at C&TCP is today merely 25 percent as efficient as the most prominent purchasing organizations world-wide. The department is organizationally placed in contradiction to the responsibility of being a global purchasing function for Nahoj Nim. By not being active before or beyond the contracting part of the supply chain, C&TCP lacks influence and information needed to manage the supplier base efficiently. In order to excel, operational as well as strategic changes are required. In addition, Nahoj Nim would profit from C&TCP being more actively involved in product development by possibly lowering the total life-cycle-costs, improving quality and provide the internal customers with a high quality supplier base

Klausurtagung des Instituts für Telematik. Schloss Dagstuhl, 29. März bis 1. April 2000

Der vorliegende Bericht gibt einen Überblick über aktuelle Forschungsarbeiten des Instituts für Telematik an der Universität Karlsruhe (TH). Das Institut für Telematik ist in einem Teilgebiet der Informatik tätig, welches durch das Zusammenwachsen von Informatik und Kommunikationstechnik zur Telematik geprägt ist. Es gliedert sich in die Forschungsbereiche Telematik, Telecooperation Office (TecO), Cooperation & Management, Hochleistungsnetze und Netzwerkmanagement sowie dezentrale Systeme und Netzdienste. Die Schwerpunkte des Forschungsbereichs "Telematik" (Prof. Dr. Dr. h.c. mult. G. Krüger) liegen in den Bereichen "Dienstgüte", "Mobilkommunikation" und "Verteilte Systeme". Gemeinsames Ziel ist die Integration heterogener Netze (Festnetze und Funknetze), Rechnersysteme (von Workstations bis zu PDAs) und Softwarekomponenten, um damit den Anwendern eine Vielzahl von integrierten Diensten effizient und mit größtmöglicher Qualität zu erbringen. Das "Telecooperation Office" (TecO, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. G. Krüger) ist ein Institutsbereich, der in Zusammenarbeit mit der Industrie anwendungsnahe Forschungsthemen der Telematik aufgreift. Im Mittelpunkt steht die innovative Nutzung von Kommunikationsinfrastrukturen mit den Schwerpunkten Softwaretechnik für Web-Anwendungen, neue Formen der Telekooperation sowie tragbare und allgegenwärtige Technologien (Ubiquitous Computing). Die Kernkompetenz des Forschungsbereichs "Cooperation & Management" (Prof. Dr. S. Abeck) liegt im prozessorientierten Netz-, System- und Anwendungsmanagement. Es werden werkzeuggestützte Managementlösungen für Betriebsprozesse entwickelt und in realen Szenarien erprobt. Ein wichtiges Szenario stellt das multimediale Informationssystem "NEXUS" dar, das als Plattform eines europaweit verteilten Lehr- und Lernsystems genutzt wird. Der Forschungsbereich "Hochleistungsnetze & Netzwerkmanagement" (Prof. Dr. W. Juling) befasst sich mit Technologie und Konzepten moderner leistungsfähiger Netzwerke sowie darüber hinaus mit sämtlichen Aspekten des Managements dieser zumeist ausgedehnten Netze. Um eine enge Abstimmung zwischen Forschungsaktivitäten und betrieblicher Praxis zu erzielen, werden insbesondere auch Synergien zwischen Institut und Rechenzentrum angestrebt. Die Arbeiten des Forschungsbereichs "Dezentrale Systeme und Netzdienste" (Prof. Dr. L. Wolf) befassen sich mit der Unterstützung verteilter Multimedia-Systeme, auch unter Berücksichtigung von Komponenten mit drahtlosem Zugang und den dafür geeigneten Architekturen und Infrastrukturen. Dabei werden vor allem Aspekte der Kommunikationssysteme wie Protokollmechanismen, Ressourcenverwaltung und adaptive und heterogene Systeme untersucht

Methodik zur Modellierung von photogrammetrischen Messungen zur Charakterisierung der Genauigkeit von Werkzeugmaschinen

An Werkzeugmaschinen können steuerungsintegrierte geometrisch-kinematische Korrekturmodelle, wie z.B. das VCS, sowie Laserinterferometer und Lasertracker zur Bestimmung von Korrekturparametern als Stand der Technik angesehen werden. Defizite bestehen derzeit in der Charakterisierung des genauigkeitsrelevanten Maschinenzustandes durch Bestimmung von Verformungen sowie der räumlichen Lagevermessung bewegter Maschinenbaugruppen im gesamten Arbeitsraum. Photogrammetrische Verfahren sind zwar prinzipiell in der Lage, dies zu realisieren, erreichen aber nicht die notwendige Genauigkeit und können hinsichtlich der Anzahl der Kameras und des Sichtfeldes nicht an die räumlichen Gegebenheiten einer Werkzeugmaschine angepasst werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines photogrammetrischen Verfahrens zur Charakterisierung des Maschinenzustandes mit hoher Genauigkeit. Grundlage ist ein Messmodell, in dem die kinematische Struktur und die Messanordnung zusammengeführt wird. Weiterhin werden alle Objektzustände zusammengeführt, um einen möglichst hohen Informationsgehalt zu erreichen und diesen für statistische Auswertungen zugänglich zu machen. Zur Verifizierung werden Analysen von Komponenten und Maschinen sowie die Simulation von Messungen vorgestellt. Dabei wird die kinematische Achsanordnung im Messmodell berücksichtigt, was sowohl die Erstellung optimierter Messkonfigurationen als auch die direkte Parameterermittlung von Korrekturmodellen ermöglicht. Für die Bestimmung thermo-elastischer Verlagerungen an einem Hexapod wird eine erweiterte 6DoF-Messkonfiguration, bestehend aus stationären und mit der Maschine bewegten Kameras, vorgestellt. Damit können Messunsicherheiten von weniger als 10 μm bzw. 10 μm /m in einem Messvolumen von 600 mm x 600 mm x 400 mm experimentell verifiziert werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Entwicklung eines Modellierungskonzepts für photogrammetrische Messungen. Anhand von Beispielmessungen wird gezeigt, dass dadurch die erzielbare Messgenauigkeit deutlich erhöht werden kann. Im Vordergrund steht dabei die Kombination der Modelle von Maschine und Messsystem sowie des Messzyklus in einem geschlossenen Messmodell. Durch die Entwicklungen im Bereich Industrie 4.0 besteht ein zunehmender Bedarf, Maschinen zu konfigurieren und zu kalibrieren. Gleichzeitig verbessern sich Leistung, Verfügbarkeit und Zugänglichkeit von maschinenspezifischen Modellen. Die Kombination von maschinenspezifischen Modellen mit Modellen der Messsysteme unter Verwendung der entwickelten Methodik ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Messgenauigkeit.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Motivation 1 1.1 Bedeutung und Genauigkeit von Werkzeugmaschinen 2 1.2 Erfassung der Genauigkeit 4 1.3 Anforderungen der Industrie 4.0 an WZM 5 1.4 Inhalt und Aufbau dieser Arbeit 6 2 Aufbau, Verhalten und Korrektur von WZM 9 2.1 Kinematischer Aufbau von WZM 10 2.2 Fertigungs- und Maschinengenauigkeit 11 2.3 Genauigkeitsbestimmende Verhaltensbereiche 13 2.4 Steuerungsintegrierte Korrektur 18 2.5 Methoden zur Erfassung von Abweichungen 20 2.6 Typische Messmittel an WZM 21 2.7 Defizite 29 3 Photogrammetrische Methoden 33 3.1 Bildentstehung 34 3.2 Bildverarbeitung 38 3.3 Objektrekonstruktion 41 3.4 Genauigkeitskenngrößen 50 3.5 Auswertemethoden 53 3.6 Potenziale und Defizite 59 4 Konkretisierung der Zielstellung 61 4.1 Bedarf 62 4.2 Zielstellung 63 4.3 Methodik 63 5 Entwicklung eines Modellierungskonzeptes für WZM 65 5.1 Struktur und Parameter der Modelle 66 5.2 Genauigkeitsrelevante Einflussgrößen 70 5.3 Modellierungskonzept 78 5.4 Beispielhafte Modellierung: DMU80 90 6 Realisierung und Test der Modellumgebung 95 6.1 Hard- und Softwarekonzept 96 6.2 Softwarekomponenten 97 6.3 Bildaufnahme und Bildspeicher 98 6.4 Realisierung und Test der Bildmessung 99 6.5 Implementierung der Modellkomponenten 107 6.6 Realisierung und Test der Ausgleichungskomponente 109 6.7 Verifikation der 3D-Koordinatenbestimmung 111 6.8 Zwischenfazit 112 7 Experimentelle Verifikation 113 7.1 Komponentenanalyse 115 7.2 Analyse von Maschinen 131 7.3 Simulation von Messkonfigurationen 144 8 Zusammenfassung und Ausblic

GPU basierte Parallelisierung von deformierbaren Registrierungsverfahren als Grundlage für dynamische Anpassungen von Therapieplänen in der adaptiven Strahlentherapie

Hochkonforme Strahlentherapietechniken ermöglichen eine gezielte Tumorbestrahlung bei maximaler Schonung des benachbarten gesunden Gewebes und der Risikoorgane. Anatomische Veränderungen während des Bestrahlungsverlaufs können jedoch zu einer Abweichung von der verschriebenen Dosisverteilung führen. Durch Adaptionen der Patientenposition oder des Bestrahlungsplans können diese Abweichungen kompensiert werden. Dafür werden Transformationen benötigt, die diese Veränderungen beschreiben. Die sich verändernde Anatomie wird unter der Therapie in Kontrollaufnahmen abgebildet. Um die Transformationen aus den Aufnahmen zu ermitteln, können Bildregistrierungsverfahren eingesetzt werden. Zur Berücksichtigung von lokalen Veränderungen der Anatomie werden deformierbare Registrierungsverfahren benötigt. Um während der Therapie auf beobachtete Veränderungen eingehen zu können, steht nur ein sehr enges Zeitfenster zur Verfügung. Existierende Registrierungsverfahren sind zu langsam, um diese Aufgabe erfüllen zu können. Durch Parallelisierung der algorithmischen Komponenten lassen sich die Registierungsverfahren signifikant beschleunigen, ohne die Genauigkeit zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde ein hoch parallelisierbares Verfahren zur Ermittelung der Deformationen aus Bildern entwickelt und auf einer parallelen Architektur der GPU Hardware umgesetzt. Die resultierende Rechendauer von unter einer bis wenigen Minuten bei guter Registrierungsqualität kann die Umsetzung von adaptiven Korrekturstrategien noch während der Behandlung ermöglichen

Analyse der Lernkurve und der applizierten Kräfte am Gewebe in der Roboter-assistierten Chirurgie

Die Roboter-assistierte Laparoskopie besitzt das Potenzial einer disruptiven Technologie, dennoch verbleiben trotz vielversprechender Entwicklungen etliche Fragestellungen bislang ungeklärt. Eine dieser Hypothesen ist, dass Operationsteams mit robotischen Assistenzsystemen eine zeitintensive Lernkurve durchschreiten. Um dies genauer zu untersuchen, wurde die Lernkurve roboterunterstützter Operationen anhand der Prozedurzeiten bei den ersten 20 Fällen der Roboter-assistierten ventralen Rektopexie am Universitätsklinikum Tübingen beschrieben. Der Begriff Lernkurve wurde anhand des quantitativen Parameters Zeit als Umschwung einer Lern- in eine Plateauphase definiert. Für die Gesamtdauer konnte ein Erreichen dieses stabilen Zustands nach fünf Eingriffen gezeigt werden. Diese Ergebnisse sind nicht zwangsläufig auf andere Teams und andere Szenarien übertragbar, suggerieren dennoch eine zügig mögliche Etablierung von Robotiksystemen. Ein weiterer relevanter Aspekt der Roboter-assistierten Chirurgie ist der genau dosierte Einsatz von Kräften. Um die eingebrachten Kräfte in der Gewebe-Instrumenten-Interaktion objektivieren zu können, wurde in einer zweiten wissenschaftlichen Zielsetzung die Konzeption, Entwicklung, Konstruktion, Programmierung und Anwendungsdemonstration eines Messsystems zur Erfassung räumlicher Position und applizierter Kräfte in der Laparoskopie beschrieben. Der auf einem kardanischen Gelenk basierende Kraft- und Positionsmessstand für laparoskopische Rohrschaftinstrumente wurde zuerst CAD-konstruiert und in mehreren Entwicklungsstufen als Prototyp umgesetzt. Hierfür kamen subtraktive und additive Fertigungsverfahren zum Einsatz. Integrierte Wägezellen dienen der Kraftmessung, während Potentiometer die Absolutposition erfassen. Die Datenerfassung erfolgt durch einen programmierbaren Mikrokontroller und die Datenausgabe ist über eine Kontrollkonsole sowie optional über einen angeschlossenen PC möglich. In der realitätsnahen Anwendungsdemonstration am Organmodell wurden die applizierten Kräfte bis zum Kontaktverlust von Instrument und Gewebe bei Zugmanövern am Hartmann-Pouch im Rahmen einer Cholezystektomie erfasst. Insgesamt wurden an sechs Organmodellen jeweils sechs verschieden konfigurierte Fasszangen evaluiert. Die Fasszangen mit traumatischen Oberflächenprofil konnten hierbei signifikant die höchsten Maximalkräfte aufbringen. Neben der Evaluation von Instrumenten hinsichtlich der Eignung für chirurgische Eingriffe können die ermittelten Daten der Roboterchirurgie als Referenzwerte, beispielsweise für die Definition von Grenzwerten eingesetzter Maximalkräfte, dienen. Darüber hinaus stellt der Kraft- und Positionsmessstand Messparameter zur Verfügung, durch welche chirurgisches Training in Zukunft effektiver gestaltet werden kann

Domänenübergreifende Anwendungskommunikation im IP-basierten Fahrzeugbordnetz

In heutigen Premiumfahrzeugen kommunizieren bis zu 80 Steuergeräte über bis zu sechs verschiedene Vernetzungstechnologien. Dabei öffnet sich die Fahrzeugkommunikation nach außen: Das Fahrzeug kommuniziert auch mit dem Smartphone des Fahrers und dem Internet. Für die Kommunikation über verschiedene Anwendungsdomänen im Fahrzeug müssen heute Gateways eingesetzt werden, die zwischen den nicht-kompatiblen Protokollen übersetzen. Deswegen geht der Trend auch in der Fahrzeugkommunikation zum Internet Protocol (IP), das für technologie- und domänenübergreifende Kommunikation entwickelt wurde. Neben dem durchgängigen Protokoll auf der Vermittlungsschicht ist für die effiziente Entwicklung eines komplexen, verteilten Systems wie einem Fahrzeug auch eine entsprechende Kommunikationsmiddleware notwendig. Die Kommunikation in einem Fahrzeug stellt spezielle Anforderungen an die Kommunikationsmiddleware. Zum einen werden in Fahrzeugen unterschiedliche Kommunikationsparadigmen genutzt, beispielsweise signalbasierte und funktionsbasierte Kommunikation. Zum anderen können sich die Kommunikationspartner in einem Fahrzeug hinsichtlich ihrer Ressourcen und ihrer Komplexität erheblich unterscheiden. Keine existierende IP-basierte Kommunikationsmiddleware erfüllt die in der vorliegenden Arbeit identifizierten Anforderungen für den Einsatz im Fahrzeug. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine Kommunikationsmiddleware zu konzipieren, die für den Einsatz im Fahrzeug geeignet ist. Die vorgestellte Lösung sieht mehrere interoperable Ausprägungen der Middleware vor, die den Konflikt zwischen unterschiedlichen funktionalen Anforderungen einerseits und den sehr heterogenen Kommunikationspartnern andererseits auflösen. Ein weiterer elementarer Teil der Lösung ist die Umsetzung der im Fahrzeug erforderlichen Kommunikationsparadigmen. Das funktionsbasierte Paradigma wird durch einfache Remote Procedure Calls implementiert. Das signalbasierte Paradigma wird durch ein darauf aufbauendes Notification-Konzept implementiert. Somit wird eine stärker am aktuellen Informationsbedarf orientierte Umsetzung ermöglicht, als dies im heutigen Fahrzeugbordnetz durch das einfache Verteilen von Daten der Fall ist. Es wird gezeigt, dass sich prinzipiell beide Kommunikationsparadigmen durch einen einzigen Mechanismus abbilden lassen, der abhängig von den beteiligten Ausprägungen mit dynamischen oder nur statischen Daten operiert. Ein skalierbares Marshalling berücksichtigt darüber hinaus die unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungen und die unterschiedliche Leistungsfähigkeit der beteiligten Steuergeräte. Hiermit wird die Kommunikation zwischen allen Anwendungen im IP-basierten Fahrzeugbordnetz durchgängig ermöglicht. Auf dieser Basis wird die Lösung um wichtige Systemdienste erweitert. Diese Dienste implementieren Funktionen, die nur in der Kooperation mehrerer Komponenten erbracht werden können oder kapseln allgemeine Kommunikationsfunktionalität zur einfachen Wiederverwendung. Zwei für die Anwendung im Fahrzeug wichtige Systemdienste werden prototypisch dargestellt: Ein Service-Management ermöglicht die Verwaltung von Diensten in unterschiedlichen Zuständen, ein Security-Management bildet Security-Ziele auf die bestmögliche Kombination von implementierten Security-Protokollen der beteiligten Kommunikationspartner ab. Diese Systemdienste sind selbst skalierbar und lassen sich damit an das Konzept unterschiedlicher Ausprägungen der Kommunikationsmiddleware anpassen. Durch Leistungsmessungen an den im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Prototypen wird gezeigt, dass die konzipierte Kommunikationsmiddleware für den Einsatz auf eingebetteten Systemen im Fahrzeug geeignet ist. Der Versuchsaufbau orientiert sich an typischen Anwendungsfällen für die Fahrzeugkommunikation und verwendet Automotive-qualifizierte, eingebettete Rechenplattformen. Insbesondere wird nachgewiesen, dass mit dem beschriebenen Konzept auch leistungsschwache Steuergeräte ins System eingebunden werden können. Die IP-basierte Kommunikationsmiddleware ist damit auf allen relevanten Steuergeräten im Fahrzeug durchgängig einsetzbar.In today's premium cars, up to 80 electronic control units communicate over up to six networking technologies. Additionally, vehicle communication opens to off-board: the car connects to the driver's smartphone and the Internet. The communication between different application domains within the vehicle builds on additional hardware components as application layer gateways to translate between the incompatible protocols. Thus, also for in-car communication, the trend goes towards networking over the Internet Protocol (IP) that has been developed for being independent of technologies and application domains. Besides the universal protocol at the network layer, an efficient development of a complex distributed system requires communication middleware. In-car communication makes special demands on the communication middleware. On the one hand, a variety of communication paradigms are used for in-car communication, such as signal-based and function-based communication. On the other hand, the communication partners differ considerably in terms of computing resources and complexity of the hosted applications. No existing IP-based middleware fulfils the identified requirements for in-car communication. The objective of this research is to design a middleware that is suitable for IP-based in-car communication. The presented solution provides multiple interoperable specifications of the middleware which resolves the conflict between different functional requirements on the one hand and the very heterogeneous communication partners on the other hand. Another fundamental part of the solution is the implementation of required communication paradigms. The function-based paradigm is implemented by simple remote procedure calls. The signal-based paradigm is implemented by a notification concept that allows for a more demand-oriented communication compared to today's practice. It is shown, how both communication paradigms can be implemented through a single mechanism that operates on dynamic or static data -- depending on the involved middleware specifications. A scalable marshalling considers the different requirements and performance levels of the participating electronic control units. Scalable specifications of the communication middleware enable seamless operations on restricted embedded and more powerful platforms. On this basis, the solution is enhanced with important system services. Such services implement functionality that can only be provided in cooperation of multiple components or that encapsulate general communication functionality for easy reuse. Two essential services are prototyped: a service management allows the management of services in different operational states. A security management matches security objectives in the best possible combination of implemented security protocols that two given communication partners have in common. These system services are designed to be scalable and can therefore be adapted to the concept of different specifications of the communication middleware. Performance measurements using the implemented prototypes show that the designed communication middleware is suitable for the application on embedded systems in the vehicle. The experimental set-up is based on typical use cases for in-car communication and uses automotive-qualified, embedded computing platforms. In particular, the set-up practically demonstrates that the concept also incorporates low-performance electronic control units into the system. The IP-based communication middleware enables communication between all applications in the IP-based in-car communication system

Domänenübergreifende Anwendungskommunikation im IP-basierten Fahrzeugbordnetz

In heutigen Premiumfahrzeugen kommunizieren bis zu 80 Steuergeräte über bis zu sechs verschiedene Vernetzungstechnologien. Dabei öffnet sich die Fahrzeugkommunikation nach außen: Das Fahrzeug kommuniziert auch mit dem Smartphone des Fahrers und dem Internet. Für die Kommunikation über verschiedene Anwendungsdomänen im Fahrzeug müssen heute Gateways eingesetzt werden, die zwischen den nicht-kompatiblen Protokollen übersetzen. Deswegen geht der Trend auch in der Fahrzeugkommunikation zum Internet Protocol (IP), das für technologie- und domänenübergreifende Kommunikation entwickelt wurde. Neben dem durchgängigen Protokoll auf der Vermittlungsschicht ist für die effiziente Entwicklung eines komplexen, verteilten Systems wie einem Fahrzeug auch eine entsprechende Kommunikationsmiddleware notwendig. Die Kommunikation in einem Fahrzeug stellt spezielle Anforderungen an die Kommunikationsmiddleware. Zum einen werden in Fahrzeugen unterschiedliche Kommunikationsparadigmen genutzt, beispielsweise signalbasierte und funktionsbasierte Kommunikation. Zum anderen können sich die Kommunikationspartner in einem Fahrzeug hinsichtlich ihrer Ressourcen und ihrer Komplexität erheblich unterscheiden. Keine existierende IP-basierte Kommunikationsmiddleware erfüllt die in der vorliegenden Arbeit identifizierten Anforderungen für den Einsatz im Fahrzeug. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine Kommunikationsmiddleware zu konzipieren, die für den Einsatz im Fahrzeug geeignet ist. Die vorgestellte Lösung sieht mehrere interoperable Ausprägungen der Middleware vor, die den Konflikt zwischen unterschiedlichen funktionalen Anforderungen einerseits und den sehr heterogenen Kommunikationspartnern andererseits auflösen. Ein weiterer elementarer Teil der Lösung ist die Umsetzung der im Fahrzeug erforderlichen Kommunikationsparadigmen. Das funktionsbasierte Paradigma wird durch einfache Remote Procedure Calls implementiert. Das signalbasierte Paradigma wird durch ein darauf aufbauendes Notification-Konzept implementiert. Somit wird eine stärker am aktuellen Informationsbedarf orientierte Umsetzung ermöglicht, als dies im heutigen Fahrzeugbordnetz durch das einfache Verteilen von Daten der Fall ist. Es wird gezeigt, dass sich prinzipiell beide Kommunikationsparadigmen durch einen einzigen Mechanismus abbilden lassen, der abhängig von den beteiligten Ausprägungen mit dynamischen oder nur statischen Daten operiert. Ein skalierbares Marshalling berücksichtigt darüber hinaus die unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungen und die unterschiedliche Leistungsfähigkeit der beteiligten Steuergeräte. Hiermit wird die Kommunikation zwischen allen Anwendungen im IP-basierten Fahrzeugbordnetz durchgängig ermöglicht. Auf dieser Basis wird die Lösung um wichtige Systemdienste erweitert. Diese Dienste implementieren Funktionen, die nur in der Kooperation mehrerer Komponenten erbracht werden können oder kapseln allgemeine Kommunikationsfunktionalität zur einfachen Wiederverwendung. Zwei für die Anwendung im Fahrzeug wichtige Systemdienste werden prototypisch dargestellt: Ein Service-Management ermöglicht die Verwaltung von Diensten in unterschiedlichen Zuständen, ein Security-Management bildet Security-Ziele auf die bestmögliche Kombination von implementierten Security-Protokollen der beteiligten Kommunikationspartner ab. Diese Systemdienste sind selbst skalierbar und lassen sich damit an das Konzept unterschiedlicher Ausprägungen der Kommunikationsmiddleware anpassen. Durch Leistungsmessungen an den im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Prototypen wird gezeigt, dass die konzipierte Kommunikationsmiddleware für den Einsatz auf eingebetteten Systemen im Fahrzeug geeignet ist. Der Versuchsaufbau orientiert sich an typischen Anwendungsfällen für die Fahrzeugkommunikation und verwendet Automotive-qualifizierte, eingebettete Rechenplattformen. Insbesondere wird nachgewiesen, dass mit dem beschriebenen Konzept auch leistungsschwache Steuergeräte ins System eingebunden werden können. Die IP-basierte Kommunikationsmiddleware ist damit auf allen relevanten Steuergeräten im Fahrzeug durchgängig einsetzbar.In today's premium cars, up to 80 electronic control units communicate over up to six networking technologies. Additionally, vehicle communication opens to off-board: the car connects to the driver's smartphone and the Internet. The communication between different application domains within the vehicle builds on additional hardware components as application layer gateways to translate between the incompatible protocols. Thus, also for in-car communication, the trend goes towards networking over the Internet Protocol (IP) that has been developed for being independent of technologies and application domains. Besides the universal protocol at the network layer, an efficient development of a complex distributed system requires communication middleware. In-car communication makes special demands on the communication middleware. On the one hand, a variety of communication paradigms are used for in-car communication, such as signal-based and function-based communication. On the other hand, the communication partners differ considerably in terms of computing resources and complexity of the hosted applications. No existing IP-based middleware fulfils the identified requirements for in-car communication. The objective of this research is to design a middleware that is suitable for IP-based in-car communication. The presented solution provides multiple interoperable specifications of the middleware which resolves the conflict between different functional requirements on the one hand and the very heterogeneous communication partners on the other hand. Another fundamental part of the solution is the implementation of required communication paradigms. The function-based paradigm is implemented by simple remote procedure calls. The signal-based paradigm is implemented by a notification concept that allows for a more demand-oriented communication compared to today's practice. It is shown, how both communication paradigms can be implemented through a single mechanism that operates on dynamic or static data -- depending on the involved middleware specifications. A scalable marshalling considers the different requirements and performance levels of the participating electronic control units. Scalable specifications of the communication middleware enable seamless operations on restricted embedded and more powerful platforms. On this basis, the solution is enhanced with important system services. Such services implement functionality that can only be provided in cooperation of multiple components or that encapsulate general communication functionality for easy reuse. Two essential services are prototyped: a service management allows the management of services in different operational states. A security management matches security objectives in the best possible combination of implemented security protocols that two given communication partners have in common. These system services are designed to be scalable and can therefore be adapted to the concept of different specifications of the communication middleware. Performance measurements using the implemented prototypes show that the designed communication middleware is suitable for the application on embedded systems in the vehicle. The experimental set-up is based on typical use cases for in-car communication and uses automotive-qualified, embedded computing platforms. In particular, the set-up practically demonstrates that the concept also incorporates low-performance electronic control units into the system. The IP-based communication middleware enables communication between all applications in the IP-based in-car communication system

Beiträge zur Automatisierung der frühen Entwurfsphasen verteilter Systeme

With the rapid increasing speed of electronic devices systems with highercomplexity, interconnectedness and heterogeneity can be developed. The developmentof such systems can only be done by teams of specialists. Atthe same time the development needs to happen in parallel to ensure anearly time to market. Therefore in the traditional design process the designis described in form of a written specification of the common system andpartitioned to several teams. This takes place in early design stages at highproduct uncertainty. Sub system development assumptions and decisions aremade without being able to evaluate the effect on the common system. Thusmany critical errors, especially those, caused by coupling effects, are discoveredduring system integration at the end of the design process. Furthermorean optimization of the common system is not possible, because of the lack ofa common system model. Hence the traditional design process is a high riskdevelopment process. In the Mission Level Design approach, an executable specification of thecommon system instead of a written specification is developed after conceptdevelopment. These is validated and optimized against the requirements ofthe common system. The such validated specification of the coupled systemis then passed on to specialist teams for sub system development. The subsystems are then integrated. In this manner integration problems can besolved in the early design stages. Development time and risk can be reducedsignificantly. To increase the specification quality and speed while developing common systemmodels, in the present work, standardized methods for specification andperformance evaluation of distributed systems and methods for automatedmapping of function into architecture are developed. This allows architectureoptimization of the common system in the early design stages. In addition,methods for transformation of the abstract design into implementations aredeveloped.Mit der rapide steigenden Geschwindigkeit elektronischer Bauelemente könnenSysteme mit erhöhter Komplexität, Vernetzung und Heterogenität entwickeltwerden. Dies hat zur Folge, dass eine Entwicklung nur durch Teamsvon Spezialisten durchführbar ist. Gleichzeitig muss die Entwicklung parallelerfolgen, um eine möglichst frühzeitige Produkteinführung zu ermöglichen.Im traditionellen Entwurfsprozess wird daher der Entwurf in Form einer geschriebenenSpezifikation des Gesamtsystems erfasst und anschließend aufmehrere Teams aufgeteilt. Dies erfolgt in den frühen Entwurfsphasen, welchedurch eine hohe Unsicherheit über das Produkt gekennzeichnet sind. Dabeimüssen bei der Entwicklung der Subsysteme Annahmen und Entscheidungengetroffen werden, ohne den Einfluss auf das Gesamtsystem abschätzenzu können. Kopplungseffekte werden weitestgehend ignoriert. Viele kritische,insbesondere durch Kopplungseffekte hervorgerufene Fehler, können folglicherst bei der Integration am Ende der Entwicklung entdeckt werden. Zudem isteine Optimierung des Gesamtsystems nicht möglich, da kein Gesamtsystemmodellvorliegt. Der traditionelle Entwurfsprozess besitzt daher ein hohesEntwicklungsrisiko. Beim Entwurfsansatz Mission Level Design wird nach dem Konzeptentwurfanstatt einer geschriebenen eine ausführbare Spezifikation des Gesamtsystemsentwickelt. Diese wird gegen die Gesamtsystemanforderungen validiertund optimiert. Daraufhin wird die Spezifikation des gekoppelten Gesamtsystemsan mehrere Teams zur Entwicklung der Subsysteme weitergegeben,welche dann wieder zu einem Gesamtsystem integriert werden. Integrationsproblemewerden so schon in den frühen Entwurfsphasen gelöst, was einewesentliche Verringerung von Entwicklungszeit und -risiko bewirkt. Um die Spezifikationsqualität und -geschwindigkeit bei der Entwicklung vonGesamtsystemmodellen zu erhöhen, werden im Rahmen der Arbeit standardisierteMethoden zur Beschreibung und Leistungsbewertung verteilterSysteme, sowie zum automatisierten Mapping von Funktion in Architekturentwickelt. Dies ermöglicht bereits in den frühen Entwurfsphasen eine Architekturoptimierungdes Gesamtsystems. Zusätzlich werden Methoden zurÜberführung des abstrakten Entwurfs in Implementationen entwickelt