Structural Compatible Ontologies for Automation Technology

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist ein integriertes Entwurfsverfahren für Automatisierungssysteme, bei dem sowohl die verhaltenbeschreibende als auch die gerätetechnische Sicht gleichermaßen Berücksichtigung finden. Dieses Entwurfsverfahren basiert auf der Erkennung, Überprüfung und Einhaltung von Ähnlichkeiten, die zwischen geräte- und verhaltensbeschreibenden Systemmodellen herrschen. So können die während der Geräte- und Anlagenplanung entstehenden Spezifikationen (Stücklisten, Baugruppenhierarchien, Netzwerke) bis in die aus automatisierungstechnischer Sicht notwendige Detailltiefe in den Verhaltensmodellen konsistent nachgezogen werden. Auf der Basis prozesstheoretischer Überlegungen werden kombinierte Petrinetz- und Bondgraphen-Modelle als dynamische Beschreibungsmittel gewählt, um das für Automatisierungssysteme typische hybride Verhalten darstellen zu können. Für die Beschreibung gerätetechnischer Strukturen dient das STEP-Produktmodell nach ISO 10303. Um die Ähnlichkeiten zwischen der verhaltenbeschreibenden und der gerätetechnischen Sicht formal fassen zu können, werden die den Systemmodellen zugrundeliegenden Modellkonzepte in Ontologien überführt und diese dann mit strukturverträglichen Abbildungen, sogenannten Morphismen, aufeinander abgebildet. Sowohl die Ontologien als auch die über diesen Ontologien definierten Morphismen werden mit Mitteln der OMA (Object Management Architecture) in MOF/UML-Modelle und OCL-Spezifikationen übertragen. Diese Spezifikationen sind dann die Implementationsgrundlage einer Reihe von Softwarewerkzeugen, die einen Entwurfsrahmen bilden, mit dem das integrierte Entwurfsverfahren anhand von einfachen Beispielen näher untersucht wird.We present an integrated design methodology for automation systems, where both the behavioural and the device oriented aspects are considered. The design methodology is based on the recognition and compliance of similarities, which can be found between device oriented and behaviour describing system models. Herewith it is possible to align the behavioural models with existing device specifications (part lists, bills of material, assembly hierarchies networks) in a consistent way and with the granularity that is adequate for automation systems design. Based on a formal process theory the combination of Petrinets and Bondgraphs is choosen to represent the hybrid process dynamics which are characteristic for automation systems. The device oriented structures are described with STEP product models according to ISO 10303. The formal specification of the aforesaid similarities between device oriented and behavioural system models is achieved within two steps. First the used description methods are transformed into ontologies. Then the ontologies are mapped on each other based on structure respecting mappings called morphism. Both the ontologies and the morphisms are defined by means of OMA (Object Management Architecture), namely MOF/UML for the ontology specification and OCL for the morphism specification. These specifications are then the basis for the implementation of different software tools which are combined into one development framework. Utilizing this framework the integrated design methodology is examined with simple examples

Generierung von effizienten Security-/Safety-Monitoren aus modellbasierten Beschreibungen

Computer werden heute zunehmend durch kleine Recheneinheiten mit Sensoren zur Erfassung der Außenwelt ergänzt. Diese Recheneinheiten kommunizieren untereinander und mit externen Einheiten, um Informationen weiterzugeben und sich untereinander abzustimmen. Hierdurch findet auch eine Öffnung von sicherheitskritischen eingebetteten Systemen nach außen statt. Die Systeme können nun entweder direkt oder indirekt über zusätzliche Einheiten angegriffen werden. Des Weiteren ist die auf eingebetteten Systemen eingesetzte Software durch beschränkte Ressourcen auf das Nötigste reduziert und bietet keine komplexen Sicherheitsmechanismen. Maßnahmen wie Testen von Software kann deren Fehlerfreiheit nicht sicherstellen. In realen Systemen ist zudem davon auszugehen, dass nicht bekannte Fehler existieren, die u.a. auch von Angreifern ausgenutzt werden können. Die Laufzeitüberwachung solcher Systeme hat sich als geeignet erwiesen, um auch unbekannte Angriffe und Fehler zu erkennen. Zur Spezifikation solcher Laufzeitmonitore über Beschreibungen (Signaturen) von erlaubtem und verbotenem Verhalten haben sich viele verschiedene Spezifikationssprachen herausgebildet. Diese basieren auf verschiedensten Modellierungskonzepten. Zur Generierung von Monitoren aus diesen Spezifikationen in Software und Hardware müssen für die unterschiedlichen Sprachen verschiedenste Codegeneratoren erstellt werden. Des Weiteren besitzen einige der gewöhnlich verwendeten einfach zu verstehenden Spezifikationssprachen keine formalisierte Syntax und Semantik. In dieser Arbeit wird zusammen mit [Pat14] der Model-based Security/Safety Monitor (MBSecMon)-Entwicklungsprozess vorgestellt. Dieser umfasst parallel zu dem eigentlichen Softwareentwicklungsprozess des zu überwachenden Systems die Spezifikation, die Generierung und die Einbindung von Laufzeitmonitoren. Ziel dieser Arbeit ist die Definition einer formal definierten Zwischensprache zur Repräsentation stark verschränkter nebenläufiger Kommunikationen. Zu ihrer Entwicklung werden Anforderungen basierend auf existierenden Arbeiten aufgestellt. Auf Grundlage dieser Anforderungen wird die Zwischensprache Monitor-Petrinetze (MPN) entworfen und formal definiert. Diese Zwischensprache unterstützt die Repräsentation von Signaturen, die in verschiedensten Spezifikationssprachen modelliert sind, und die Generierung von effizienten Laufzeitmonitoren für unterschiedliche Zielplattformen. Die MPNs sind ein auf Petrinetzen basierender Formalismus, der um Konzepte der Laufzeitüberwachung erweitert wurde. Es wird gezeigt, dass die MPN-Sprache alle ermittelten Anforderungen an eine solche Zwischensprache, bis auf ein Hierarchisierungskonzept für Ereignisse, das in dieser Arbeit nicht behandelt wird, erfüllt. Die MPN-Sprache wird in einem prototypischen Werkzeug zur Monitorgenerierung eingesetzt. Dieses unterstützt die MBSecMon-Spezifikationssprache [Pat14] als Eingabesprache und verwendet die MPN-Sprache als Zwischenrepräsentation zur Monitorgenerierung für verschiedenste Plattformen und Zielsprachen. Die generierten Monitore werden auf ihr Laufzeitverhalten und ihren Speicherverbrauch evaluiert. Es hat sich gezeigt, dass sich die MPN-Sprache trotz ihrer hohen Ausdrucksstärke zur einfachen Generierung effizienter Laufzeitmonitore für verschiedenste Plattformen und Zielsprachen eignet

Abschlussbericht des Verbundprojekts Tools4BPEL

Unternehmensübergreifende Geschäftsprozesse werden zunehmend nach dem Paradigma der Services organisiert. Dabei stellen sich Fragen nach der Komponierbarkeit, Fehlerbehandlung, sowie der Rücksetzbarkeit (Kompensation) im Fehlerfall. In diesem Vorhaben werden Methoden und Werkzeuge zum Umgang mit solchen Fragen entwickelt und am Beispiel der Geschäftsprozess-Modellierungssprache BPEL und im Modellierungswerkzeug der Firma MEGA international erprobt. Es wurde zum einen der Übersetzer BPEL2oWFN entwickelt, der anhand einer Petrinetzsemantik für BPEL einen BPEL-Prozess in ein (offenes) Petrinetz transformiert. Zum anderen wurden Korrektheitskriterien (wie Bedienbarkeit und Verhaltenskompatibilität) für Services erarbeitet, Algorithmen zu ihrer Überprüfung entworfen und in Fiona implementiert. Die Algorithmen sind Petrinetz-basiert. Damit spielen Übersetzung und Analyse eng zusammen und ein vorhandener BPEL-Prozess kann auf bspw. Bedienbarkeit hin untersucht werden. In diesem Vorhaben wurden die Modellierungssprache BPEL4Chor, Choreographie-Erweiterungen für BPMN entwickelt, sowie die Transformation von BPMN nach BPEL angepasst, um den Weg von BPMN nach BPEL4Chor zu unterstützen. Weiterhin wurden Konzepte entwickelt, wie sich partner-übergreifende Fehlerbehandlung, Rücksetzbarkeit, sowie die Autonomie der Partner mittels BPEL4Chor darstellen lassen. BPEL4Chor kann als Standardsprache zur Spezifikation von Protokollen, die zwischen mehreren Partnern ablaufen, verwendet werden. Durch seine enge Verbindung mit BPEL kann BPEL4Chor sehr gut als Startpunkt für eine Webservice-Lösung verwendet werden

Modellierung und Verifikation von verteilten/parallelen Informationssystemen

Petri nets are used in many fields as modelling technique. The different usage areas and modelling objectives require different classes of Petri nets. Powerful high level Petri nets and especially coloured Petri nets are well suited for describing behavior of distributed information systems in order to verify and analyse them. Extended coloured Petri nets with structured marks are presented in this work. An example is used in order to demonstrate the analysis and verification steps. This example algorithm is modeled with extended coloured Petri nets (HCPN-ST). It is transformed into coloured Petri nets, in order to simulate, analyse and verify the method with existing software tools. The model is simulated and analysed with PENECA Chromos tool, although it cannot verify all properties, but it allows to interoperate with INA tool. The remainder of the analysis and verification is done in the INA tool. The above mentioned steps are extended and integrated into the complete analysis process and the verification methodology. Finally, the need and motivation for the extension of dynamic approaches modelling for the analysis of distributed information system is elaborated to accomplish the goal of the work. We succeed to validate, that the extended formal method is an effective method to model and analyse distributed information systems.Petrinetze werden in vielen Bereichen als Modellierungstechnik verwendet. Die verschiedenen Einsatzgebiete und Modellierungsziele erfordern mittel unterschiedliche Typen von Petrinetzen. Die höheren Petrinetze eignen sich gut zur Formalisierung des Verhaltens verteilter Informationssysteme zum Zweck der Verifikation und Analyse. Eine Klasse erweiterter gefärbte Petrinetze (HCPN-ST) mit strukturierten Marken wird in dieser Arbeit vorgestellt und am Beispiel erläutert. An diesem konkreten Modell wird die Analyse und Verifikation demonstriert. Das Beispiel-Algorithmenmodell wird in ein CPN transformiert. Der Algorithmus der Transformation wird vorgestellt. Diese Transformation wird durchgeführt, um die erweiterte Methode mit Software -Tools zu analysieren und verifizieren. Mit Peneca Chromos wird das Modell editiert und simuliert und einige Eigenschaften werden analysiert. Die weitere Analyse und Verifikation erfolgt mit dem Tool INA. Es folgt die Erweiterung und Integration in den gesamten Analyseprozess und die Verifikationsmethodik. Abschließend wird die Notwendigkeit und Motivation zur Erweiterung von dynamischen Modellierungsansätzen für die Analyse von verteilten Informationssystemen behandelt und damit die Zielstellung der Arbeit erreicht

Modellierung in der Lehre an Hochschulen: Thesen und Erfahrungen

Zusammenfassung: Nicht erst seit Modellierung zum Modewort geworden ist, ist Modellierung ein wichtiges Thema in der Informatikausbildung. Dieser Beitrag beleuchtet in zwölf Thesen das Warum, Was, Wie viel, Wo, Wann und Wie von Modellierung in der Lehre im Rahmen informatikbezogener Studiengänge. Die Thesen basieren auf der Erfahrung des Verfassers mit einer seit über zehn Jahren gehaltenen Modellierungsvorlesung an der Universität Zürich sowie dem Gedankenaustausch mit anderen Hochschullehrerinnen und -lehrern im Rahmen der GI-Workshopreihe ,,Modellierung". Zusätzlich liefert eine Befragung von Absolventinnen und Absolventen an der Universität Zürich empirische Evidenz für eine Reihe der These

Annual Report 1999 / Department for Computer Science

Selbstdarstellung des Instituts für Informatik der BTU Cottbus und Berichte der Lehrstühle für das Jahr 1999.Presentation of the Department for Computer Science of the BTU Cottbus and reports of the chairs at the department for the year 1999

Konzepte der internetbasierten Gerätesteuerung

Auf dem Gebiet der Gerätesteuerung existieren zahlreiche Insellösungen, die den Anspruch nach generischer Eignung nicht erfüllen. In besonderer Weise defizitär ist der Mangel an ganzheitlichen, offenen Frameworks, bei denen die Autokonfiguration, die Gerätezuordenbarkeit vor Ort, die Geräteüberwachbarkeit, die Inter-Gerätekommunikation und die Automatisierbarkeit von Abläufen Berücksichtigung finden. Vor diesem Hintergrund öffnet die Arbeit mit einer Bestandsaufnahme von Technologien, die Einzelanforderungen der generischen Gerätesteuerung erfüllen. Sie bilden im weiteren Verlauf das potentielle Architekturfundament. Der Betrachtungsrahmen wird hierbei soweit ausgedehnt, dass relevante Verfahrensschritte vom Geräteanschluss bis zur automatisierten Generierung von User Interfaces abgedeckt sind. Unter Rückgriff auf ausgewählte Technologien wird ein zweigliedriger Ansatz vorgestellt, der ein sehr breites Spektrum potentieller Steuergeräte unterstützt und gleichzeitig technologieoffen im Hinblick auf die Autogenerierung von User Interfaces ist. Höchstmögliche Funktionalität wird durch die Beschreibungssprache Device XML (DevXML) erreicht, deren Entwicklung einen Schwerpunkt der Arbeit darstellte. In Anlehnung an die etablierte Petrinetztheorie werden Abhängigkeiten zwischen Zuständen und Funktionen formal beschrieben. Das Sprachvokabular von DevXML ermöglicht hierauf aufbauend Regeldefinitionen mit dem Ziel der Ablaufautomatisierung. Das entworfene Framework wurde anhand von insgesamt elf praktischen Beispielen wie z.B. einem Schalter, einem Heizungsmodul, einem Multimeter bis hin zu virtuellen Geräten erfolgreich verifiziert