Durchgängige Timing-Bewertung von Vernetzungsarchitekturen und Gateway-Systemen im Kraftfahrzeug

Die steigende Anzahl von Elektrik-/Elektronik-Systemen im Automobil und damit verbunden das zunehmende Kommunikationsaufkommen stellen immer höhere Anforderungen an den Entwicklungsprozess. Aufgrund der wachsenden Anzahl an vernetzten Funktionen spielt die Betrachtung des Timing-Verhaltens der Systeme eine zentrale Rolle. Die Arbeit beschreibt eine Methodik, welche eine durchgängige Bewertung von Vernetzungsarchitekturen und Gateway-Systemen hinsichtlich deren Timing-Verhaltens ermöglicht

Peer-to-Peer-Technologie in der Automatisierung

Peer-to-Peer (P2P)-Technologie hat sich seit ihrem ursprünglichen Einsatz für das Filesharing weiterentwickelt und Einzug in neue Einsatzgebiete erhalten. Die positiven Eigenschaften der P2P-Technologie sind die hohe Flexibilität, Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit. Ob P2P-basierte Anwendungen auch für den Einsatz im Umfeld der industriellen Automatisierung sinnvoll sind, wurde in dieser Arbeit untersucht. Das im Laufe dieser Arbeit entstandene Verfahren HaRTKad mit seinem für das Umfeld neuen Netzwerkparadigma erfüllt diese Anforderungen, womit es sich in diesem Umfeld einsetzen lässt

Communication Infrastructure for high-dynamic Parallel Kinematic Machines

Ziel dieser Arbeit ist die Konzipierung, Realisierung und Erprobung einer zentral organisierten Kommunikations-Infrastruktur zur Unterstützung von Steuerungssystemen aus dem Bereich hochdynamischer Roboteranwendungen. Dabei erfolgt die Integration aller an der Steuerung beteiligten Softwaremodule über eine einheitliche, modulare und echtzeitfähige C-Programmierschnittstelle unter dem Betriebssystem QNX Neutrino. Hintergrund dieser Arbeit ist der Sonderforschungsbereich (SFB) 562, in dem methoden- und komponentenbezogene Grundlagen zum Entwurf von Parallelrobotern erarbeitet werden. Der Einsatz von Parallelrobotern stellt dabei hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Robotersteuerung: Kinematisch gekoppelte Strukturen und die bei ihrer Bewegung zu berücksichtigenden Bewegungs- und Orientierungs-Singularitäten führen zu einer Steigerung des Umfangs und der Komplexität notwendiger Steuerungsfunktionalitäten; struktur- und gelenkintegrierte Sensoren erhöhen das notwendige Datenaufkommen bei dem Versuch, die kinematische Komplexität zu reduzieren; Synchronisationsanforderungen der gekoppelten Achsantriebe erfordern reaktionsschnelle Kommunikationsmechanismen; zusätzliche Anforderungen an Platziergenauigkeit, Beschleunigung und Geschwindigkeit der Arbeitsplattform liegen weit oberhalb derer serieller Roboteranwendungen. Kommerziell verfügbare Lösung für eine derartige Steuerung existieren derzeit noch nicht oder nur mit Einschränkungen Gegenstand dieser Arbeit ist zunächst die Untersuchung grundlegender Mechanismen aus den Bereichen Softwaretechnologie und Kommunikationstechnik, um eine Auswahl zur Realisierung geeigneter Funktionalitäten für Prozessorganisation, Kommunikation, Synchronisation, Konfiguration und Darstellung hinsichtlich eines passenden Steuerungssystems zu treffen. Im Hauptteil der Arbeit erfolgt die detaillierte Konzipierung sowie die Erläuterung der vollständig in Hard- und Software umgesetzten Realisierung dieser Kommunikations-Infrastruktur. Sie besteht aus drei Hauptkomponenten: Middleware MiRPA-X, Kommunikationsprotokoll IAP und Kommunikationssystem FireWire (Standard IEEE 1394). Die Verbindung bildet eine leistungsfähige Plattform, um allen in der Steuerung verwendeten Funktionsmodulen zu jeder Zeit transparente, modulare, einheitliche und echtzeitfähige Kommunikations- und Synchronisationsmechanismen zur Verfügung stellen. Die Integration erfolgte dabei soweit möglich unter Verwendung von Standardkomponenten (PC-Hardware, Betriebssystem, Programmiersprache). Innerhalb des SFB hat sich der praktische Einsatz der hier erarbeiteten Lösung als essenzieller, unverzichtbarer Bestandteil der Steuerung gezeigt, so dass ein breiterer Einsatz dieser Infrastruktur innerhalb anderer PC-basierter Robotersteuerungen außerhalb des SFB denkbar und sinnvoll erscheint.The goal of this thesis is the concept development, implementation and testing of a centrally organized communication infrastructure. It aims to support the development of control systems for high-dynamic robot applications, and thus provides a uniform, modular and real-time capable application programming interface (API) for all software modules involved. The development and application is performed using the operating system QNX Neutrino together with C/C++ programming language. The background of this thesis is the Collaborative Research Center (CRS) 562. Here, foundations for the development of parallel kinematic machines (PKMs) are worked out regarding necessary methods and components. The application of PKMs make high demands on the performance of robot control: coupled kinematic structures together with resulting special singularities require more and efficient control functions for motion control; additional sensors (integrated within the robot structure) increase the necessary data traffic while aiming to reduce calculational complexity; requirements for the synchronisation of drives necessitate high-speed communication mechanisms. Additional requirements regard the performance of the overall robot system: positioning accuracy, acceleration and velocity of the robot end-effector, which are expected to outsell those realised with conventional (serial) robot structures. Commercially available solutions for control systems do not suit all of these demands which calls for a unique control system design from standard components (computer hardware, operating system, communication system and programming language). The object of this thesis is, at first, the examination of fundamental mechanisms from the domain of software and communication technology in order to select suitable mechanisms for process organisation, inter process communication, synchronisation, configuration and presentation of data flow. These are to be provided for the control function modules in a uniform way. In the main part of this thesis the concept of the communication infrastructure is introduced in detail as well as the overall description of its implementation in hardware and software. The infrastructure consists of three main components which work together as a functional unit: the middleware MiRPA-X, the communication protocol IAP and the FireWire communication system (IEEE 1394). They form an efficient framework in order to provide transparent, modular and uniform communication and synchronisation mechanisms for the development of powerful and real-time control functionality. Within the project work in the Collaborative Research Center this novel communication infrastructure proved of indispensable value. For other robot control systems outside the CRS, it should thus be considered when using standard components

Extension and optimisation of a communication platform for pc-based control systems

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung und Optimierung einer Kommunikationsplattform für offene PC-basierte Steuerungssysteme für Parallelkinematiken und leistet einen Beitrag dazu, den Umsetzungsaufwand von Steuerungsapplikationen selbst in einer verteilten Umgebung zu reduzieren und gleichzeitig die Performanz und Zuverlässigkeit des Steuerungssystems zu steigern. In Gegensatz zu Seriellen Robotern bestehen Parallelkinematiken aus einer geschlossenen kinematischen Kette, bei dem der Manipulator über mehrere Führungsglieder mit den fest am Gestell montierten Antrieben verbunden ist. Begünstigt durch diese mechanische Struktur resultiert für jeden Antrieb eine gering zu bewegenden Masse pro Verfahrbewegung. Dies wiederum führt dazu, dass im Vergleich zu seriellen Robotern höhere Arbeits¬geschwin¬dig¬keiten und -beschleunigungen bei höherer Genauigkeit und Steifigkeit gefahren werden können. Neben einer Erhöhung der Performanz des Steuerungssystems liefert diese Arbeit die architekturspezifische Grundlage für die Integration von rechenaufwendigen parallelroboterspezifischen Besonderheiten in den Steuerungspfad. Weiterhin schafft diese Arbeit eine Plattform für die Implementierung und Ausführung von echtzeitfähigen verteilten Steuerungsapplikationen. Dafür wird die Middleware so erweitert, dass sie Anwenderapplikationen eine transparente Nutzung von Kommunikations¬mechanismen im verteilten System gewährleistet. Eine optimale Nutzung der verteilten Ressourcen wird durch die Integration eines Self-Managers in die Steuerungssofware erreicht. In diesem Zusammenhang wird im Rahmen dieser Arbeit eine Monitoring-Komponente in die Middleware integriert, die topologische und zeitliche Informationen über die Ausführung von Tasks im verteilten System zur Laufzeit ermittelt und dem Anwender bereitstellt.The present work covers the expansion and optimization of a communication platform designed for the implementation of an open and computer-based control system for parallel kinematics. This work helps to reduce the implementation cost of control applications and increases at the same time the performance of the control system. Unlike serial robots, the mechanical structure of a parallel kinematics consists of a closed kinematic chain. The manipulator is connected over many links to the drives mounted on the rack. Favored by this mechanical structure each drive has a reduced mass to move and therefore higher velocities and accelerations are achievable. In addition to the performance increase of the control system this work provides the architectural fundament for the integration of computationally intensive and parallel kinematics specific features in the control system. Furthermore, the present work provides a platform for the implementation and execution of real-time distributed control applications in both multi-core processors and computer network. In this context, the middleware is extended so that it ensures user applications a transparent using of communication mechanisms in the distributed systems. To ensure optimal use of the resources available in the distributed system a self-manager is integrated into the control system. The self-manager responds independently and efficiently to changes occurring in the system topology as well as to changing demands on the control. It automatically adjusts the distribution of the control modules at runtime. In order to achieve this, a monitoring component is integrated in the middleware. It determines and provides topological and temporal information about the execution of tasks in the distributed system at runtime

Echtzeitfähige Softwareagenten zur Realisierung cyber-physischer Produktionssysteme

Aktuelle ökonomische Trends, wie die zunehmende Globalisierung und die wachsende Technisierung und Individualisierung vieler Konsumgüter, führen im Hinblick auf die zur Fertigung dieser Güter eingesetzte Automatisierungstechnik zu steigender Komplexität und hohen Flexibilitätsanforderungen. Ein Konzept zur Adressierung dieser Anforderungen ist die Auslegung von automatisierten Anlagen als modulares System flexibel kombinierbarer cyber-physischer Komponenten. Die namensgebende Einheit von mechatronischem Bauteil und lokaler Rechenkapazität ermöglicht Herstellern solcher Komponenten, Softwarebausteine für typische Steuer-, Bedien- oder Diagnoseaufgaben gebrauchsfertig vorzubereiten und so den (Re-)Engineeringaufwand bei der (Um-)Gestaltung des Gesamtsystems deutlich zu reduzieren. Allerdings stellt diese Vision hohe Ansprüche an die zugrundeliegende Softwarearchitektur, die von den derzeit zur Realisierung automatisierter Systeme eingesetzten Technologien nicht vollständig erfüllt werden. Das Paradigma der Agentenorientierung ist ein tragfähiger Ansatz zur Realisierung solcher lose gekoppelten verteilten Systeme und stellt durch leistungsfähige Interaktionsmechanismen sowie die enge Integration von semantischem Wissen zusätzliche Funktionalität in Aussicht: Als Agenten ausgelegte Komponenten könnten auch die logische Vernetzung untereinander während der Inbetriebnahme, nach Umrüstungen oder in Reaktion auf Betriebsstörungen teilweise selbst übernehmen. Dadurch ergeben sich Fähigkeiten wie Selbstkonfiguration und Selbstregeneration, die in der Fachliteratur unter dem Begriff Self-X zusammengefasst werden. Die fehlende Echtzeitfähigkeit, insbesondere in Bezug auf besagte Interaktionsmechanismen, hat jedoch bisher die Einsetzbarkeit von Agentensystemen in der Automatisierung limitiert und die Ausschöpfung der genannten Potentiale behindert. Deshalb wird in dieser Dissertation eine echtzeitfähige Laufzeitumgebung für Softwareagenten entworfen und anschließend die Überarbeitung bestehenden Kommunikationsmechanismen im Hinblick auf ihre Echtzeitfähigkeit vorgenommen. In diesem Kontext wird mit dem Konzept der semantischen Adressierung eine vielfältig einsetzbare Möglichkeit geschaffen, Nachrichten an ausgewählte Gruppen von Agenten mit bestimmten, semantisch beschriebenen Eigenschaften zur verschicken. Die dabei zur Wissensrepräsentation genutzten Taxonomie-Bäume bieten ein für viele Aufgabenstellungen ausreichendes Maß an Ausdrucksstärke und erlauben zudem die Verarbeitung unter harten Echtzeitbedingungen. Abschließend werden die geschaffenen Mechanismen in einem Antwortzeitmodell abgebildet, mit dem das rechtzeitige Reagieren eines Agentensystems auf lokal oder verteilt zu behandelnde Ereignisse überprüft und nachgewiesen werden kann. Damit wird ein Hauptkritikpunkt von Agentensystemen adressiert, was zu einer nachhaltigen Steigerung der Akzeptanz des Agentenparadigmas führen könnte. Während große Teile der erarbeiten Lösung als allgemeingültige Grundlagenforschung verstanden werden können, wird bei der Formulierung von Anforderungen, der Darstellung von Beispielen und der Erläuterung von Entwurfsentscheidungen immer wieder auf automatisierungstechnische Belange Bezug genommen. Außerdem wird am Ende der Arbeit eine kritische Bewertung der Ergebnisse vor dem Hintergrund eines möglichen Einsatzes in zukünftigen Automatisierungssystemen durchgeführt und damit das Gesamtbild abgerundet

Absicherung von Diagnosefunktionen in E/E-Fahrzeugarchitekturen durch verteilte Zugriffskontrolle und Anomalieerkennung

Die Automobilindustrie befindet sich derzeit in einer Transformation, die durch Trends wie beispielsweise der Elektromobilität, dem automatisierten und vernetzten Fahren oder der geteilten Mobilität angetrieben wird. Das Fahrzeug sowie insbesondere die zugehörige Elektrik/Elektronik-Architektur ist ein Teil dieser Transformation. Für die Bereitstellung neuer Fahr- und Komfortfunktionen wird zunehmend mehr Software integriert sowie der Vernetzungsgrad durch die Anbindung der Umwelt (z.B. Hersteller-Backend Systeme) über drahtlose Kommunikationstechnologien gesteigert. Dabei sind in den letzten Jahren zunehmend Angriffe auf die Informationssicherheit von Fahrzeugen bekannt geworden, die auf schwache oder fehlende Absicherungsmaßnahmen zurückzuführen sind. Dadurch gelang es beispielsweise im Jahr 2015 unautorisierten Personen über das Mobilfunknetz aktiv in die Fahrzeugkommunikation einzugreifen und darüber Aktuatoren wie die Lenkung oder Bremse aus der Ferne anzusteuern. Im Rahmen dieser Dissertation werden daher bekannte Angriffe im Zeitraum 2010 - 2019 analysiert sowie bisherige Schwächen bei der Absicherung und Erkennung von Angriffen identifiziert. Im Kern kristallisiert sich auf Basis der untersuchten Angriffe eine bisherige Schwäche im Bereich der Zugriffskontrolle auf Anwendungs- und Netzwerkebene heraus, da kein oder nur ein eingeschränktes Rechtemanagement implementiert war. Darüber hinaus zeigt die Aufarbeitung des aktuellen Stands der Technik und Wissenschaft eine bisherige Forschungslücke auf diesem Gebiet. Auf der Grundlage dieses Wissensstandes wird im Rahmen dieser Arbeit ein Konzept für eine verteilte automotive attributsbasierte Zugriffskontrolle (A-ABAC) vorgestellt. Diese ermöglicht die Kontrolle sowie Durchsetzung von Diagnose-Berechtigungen in Fahrzeugsteuergeräten sowie den Datenaustausch der beteiligten Module in signal-orientierten Fahrzeugarchitekturen. In Anlehnung an bekannte Angriffe wird das entwickelte Konzept durch verschiedene Use-Cases im Rahmen eines Proof-of-Concepts getestet. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines Konzepts zur Erkennung von Anomalien innerhalb der Diagnosekommunikation, die durch Insider-Angriffe verursacht werden. Dieser Aspekt wurde bisher im Stand der Technik und Wissenschaft noch nicht adressiert. Präventive Maßnahmen sind in ihrer Wirkung eingeschränkt, einen Angreifer mit Insider-Wissen (z.B. legitimierte Zugangsdaten) abzuwehren. Das entwickelte Intrusion Detection System (IDS) besitzt die Fähigkeit, auf Basis eines bekannten Normalverhaltens durch einen Insider verursachte Abweichungen (Anomalien) zu erkennen, indem eine Methode der Computerlinguistik auf die Diagnosekommunikation adaptiert wird. Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Erkennungsansatzes wird im Rahmen von drei unterschiedlichen Anomalietypen gezeigt. Neben signal-basierten Architekturen werden zunehmend service-orientierte Architekturen (SOA) in Fahrzeuge integriert, um die Updatefähigkeit sowie Anpassungsmöglichkeiten während des Entwicklungsprozesses sowie im Feld durch dynamische Kommunikationsbeziehungen zu steigern. Durch diesen Paradigmenwechsel entstehen jedoch neue Herausforderungen in Bezug auf die Informationssicherheit. Bisherige Absicherungsmaßnahmen sind in das veränderte SOA-Kommunikationsverhalten nur eingeschränkt adaptierbar. Im Ausblick werden zugehörige Unterschiede mit Fokus auf die Maßnahmen der Zugriffskontrolle und Anomalieerkennung diskutiert sowie Potentiale aufgezeigt. Darunter auch die Möglichkeit zur Adaptierung der in dieser Arbeit entwickelten Zugriffskontrolle

Untersuchung des Einsatzes von Web Service-Technologien in Automationsnetzwerken

In letzter Zeit wurden viele spezifische Protokolle entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit es möglich ist, existierende proprietäre Protokolle auf Web Services abzubilden. Es wurde des Weiteren die Skalierbarkeit von Web Services untersucht. Es wurde gezeigt, dass Web Services in Netzwerken beliebiger Größen eingesetzt werden können. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Untersuchung der Web Services im Hinblick auf die Echtzeitfähigkeit. Es konnte gezeigt werden, dass die Verarbeitung der Nachrichten in die Hardware verlagert werden kann