Formal Verification of Industrial Software and Neural Networks

Software ist ein wichtiger Bestandteil unsere heutige Gesellschaft. Da Software vermehrt in sicherheitskritischen Bereichen angewandt wird, müssen wir uns auf eine korrekte und sichere Ausführung verlassen können. Besonders eingebettete Software, zum Beispiel in medizinischen Geräten, Autos oder Flugzeugen, muss gründlich und formal geprüft werden. Die Software solcher eingebetteten Systeme kann man in zwei Komponenten aufgeteilt. In klassische (deterministische) Steuerungssoftware und maschinelle Lernverfahren zum Beispiel für die Bilderkennung oder Kollisionsvermeidung angewandt werden. Das Ziel dieser Dissertation ist es den Stand der Technik bei der Verifikation von zwei Hauptkomponenten moderner eingebetteter Systeme zu verbessern: in C/C++ geschriebene Software und neuronalen Netze. Für beide Komponenten wird das Verifikationsproblem formal definiert und neue Verifikationsansätze werden vorgestellt

Das Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (SAIGRT): von der Entwicklung bis zur Praxisreife

Das entwickelte Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (engl. Small Animal Image-Guided Radiation Therapy – SAIGRT) dient der schnellen, hochauflösenden Röntgenbildgebung und präzisen, konformalen Bestrahlung von Kleintieren im Rahmen präklinischer in-vivo Experimente für die translationale Krebsforschung. Speziell programmierte Softwares zur Gerätesteuerung sowie zur Bildkorrektur- und Bildrekonstruktion auf dem zentralen leistungsfähigen Arbeitsplatz-PC stellen alle Gerätefunktionen zur Verfügung und ermöglichen durch automatisierte Abläufe und intuitive grafische Nutzeroberflächen eine einfache, sichere Bedienung. Für die Bestrahlungsplanung wird eine vollwertige, aus der humanen klinischen Strahlentherapie adaptierte 3D-Bestrahlungsplanungssoftware eingesetzt, die etablierte Werkzeuge für den Transfer und die Koregistrierung multimodaler Bilddaten, die Konturierung und Segmentierung von Zielvolumina und Risikoorganen sowie die Erstellung und Validierung von Bestrahlungsplänen enthält. Die resultierende Dosisverteilung wird darin basierend auf dem individuellen CT-Datensatz des Versuchstieres und einem auf das SAIGRT angepassten Maschinenmodell mittels eines Monte-Carlo-Algorithmus exakt und realitätsnah simuliert. Durch geometrische Kalibrierungen und vielfältige Basisdatenmessungen für die Bildgebung und Bestrahlung im Rahmen der Gerätekommissionierung ist eine Zielgenauigkeit von ca. ±0,1 mm mit hoher geometrischer Abbildungstreue und guter Bildqualität bei Bildgebungsdosen vergleichbar denen klinischer Radiografie- und CT-Geräte möglich. Die Dosisverteilung zur Bestrahlung der Versuchstiere spiegelt bei der definierten Strahlungsqualität größenskaliert die humane Strahlentherapie mit hochenergetischer Photonenstrahlung von klinischen Linearbeschleunigern wider. Ein umfassendes Qualitätssicherungsprogramm bestehend aus regelmäßiger Wartung und wiederkehrenden Konstanzprüfungen der Bildgebung und Bestrahlung sichert dauerhaft den technisch einwandfreien Zustand und die ordnungsgemäße Verfügbarkeit aller Gerätefunktionen in gleichbleibender Güte. Das SAIGRT ist somit nachweislich geeignet, bildgeführte Bestrahlungen mit einem Ablauf analog dem einer modernen klinischen Strahlentherapie am Menschen in präklinischen in-vivo Experimenten präzise an Kleintieren zu applizieren. Es leistet dadurch einen essentiellen Beitrag zur translationalen Krebsforschung in Dresden, indem die klinische Situation realistischer modelliert und so potenziell die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Krebspatienten verbessert werden kann.The Small Animal Image-Guided Radiation Therapy (SAIGRT) platform facilitates fast, high resolution X-ray imaging and precise, conformal irradiation of small animals in preclinical in-vivo experiments for translational cancer research. Dedicated software for device control as well as image correction and reconstruction on a central high performance PC provide all device functions and allow simple and safe operation by automated procedures and intuitive graphical user interfaces. A fully 3D treatment planning software adapted from human clinical radiation therapy is used for treatment planning, containing established tools and methods for the transfer and registration of multimodality imaging data, contouring and segmentation of target volumes and organs at risk as well as creation and evaluation of treatment plans. Based on an individual CT scan of the small animal and a machine model adapted for the SAIGRT, the resulting dose distribution is simulated by a Monte-Carlo algorithm in a precise and realistic manner. Geometrical calibrations as well as manifold basic data measurements for X-ray imaging and irradiation during commissioning resulted in a targeting and imaging accuracy of about ±0.1 mm, a correct representation of imaging geometry and a good image quality with imaging doses comparable with those of clinical radiography and CT systems. Dose distribution of the defined beam quality used for irradiation of small animals reflects a downsized human radiation therapy using high energy photon beams of clinical linear accelerators. A comprehensive quality assurance program comprising regular maintenance and periodic constancy tests of X-ray imaging and irradiation ensures permanent technically perfect condition and proper availability of all implemented functions in a stable high quality. The SAIGRT platform is feasible for image-guided irradiations precisely applied to small animals in preclinical in-vivo experiments using a workflow of modern human radiation oncology. Thus, it significantly contributes to translational cancer research by more realistic modelling the clinical situation and potentially brings the results closer to their clinical implementation

Konzeption und Realisierung eines neuen Systems zur produktbegleitenden virtuellen Inbetriebnahme komplexer Förderanlagen

Die virtuelle Inbetriebnahme ermöglicht die Vorwegnahme der steuerungstechnischen Inbetriebnahme von komplexen Förderanlagen an einem virtuellen Modell. In dieser Arbeit wird die Konzeption eines neuen Systems zur produktbegleitenden virtuellen Inbetriebnahme geschildert und dessen Umsetzung in Form eines neuen prototypischen Simulationssystems beschrieben. Durch die Umsetzung des entwickelten Konzeptes wurde eine durchgängige virtuelle Inbetriebnahme der betrachteten Förderanlagen erreicht

Safety & Security – Sicherheit und Sicherheit im Zeitalter kommunizierender Fahrzeuge

Globale Megatrends wie die Digitalisierung, Internet of Things (IoT) oder Software Defined Everything beeinflus­sen die Zukunft des Automobils in nie dagewesener Wei­se und Geschwindigkeit (Dannenberg & Burgard 2015). OEM entwickeln unter diesem Druck, moderne Car2X-Services, um die Attraktivität ihrer Modelle zu steigern. Offene Standards werden es auch bisher bran­chenfremden Playern ermöglichen, Applikationen zu entwickeln, die sich außerhalb der »Hoheit« der OEM befinden (Borchert & Slusser 2014). Der Austausch von Informationen von Fahrzeugen mit jedem nur denkba­ren externen Kommunikationspartner bricht mit dem Paradigma, dass das Fahrzeug ein in sich geschlossenes System sei (Harding et al. 2014). Der Einsatz von Diens­ten der klassischen Informationstechnologie im Fahr­zeug führt zu Sicherheitsrisiken, die in der Branche bis­her bestenfalls aus Büro- oder Produktionsumgebungen bekannt waren. Die Auswirkungen für die Sicherheit des Gesamtfahrzeuges sind gravierend. Das Management der Sicherheit elektrischer, elektroni­scher oder programmierbarer Fahrzeugsysteme ist daher nicht mehr nur auf die Funktionale Sicherheit (Safety) beschränkt, sondern muss den Aspekten der Vertraulich­keit, Integrität und Verfügbarkeit (Security) Rechnung tragen. Die Herausforderung besteht in der Beantwortung der Fragen, ob die bestehenden Ansätze aus der Informati­onstechnologie den Anforderungen der Branche gerecht werden und die beteiligten Experten beider Fachrich­tungen zueinander finden und die jeweils andere Seite verstehen. Innerhalb der ISO wird zurzeit ein Projektvor­schlag zur ISO 26262 in Verbindung mit dem Manage­ment der Informationssicherheit diskutiert

Robotergestützte Präparation von Bakterienklonen: Unüberwachte Plasmidisolierung und PCR-Sequenzierung.

Moderne Sequenzierprojekte haben die Bestimmung der Basenabfolge kompletter Genome zum Ziel. Wegen der entspechend anfallenden Laborarbeiten ist die Bewältigung derartiger Vorhaben nur noch durch weitgehende Automation der notwendigen Präparationen möglich. In dieser Arbeit werden kommerziell erhältliche Roboter und apparative Eigenentwicklungen in der Weise kombiniert, daß eine unüberwachte Präparation von Plasmidvektoren aus lebenden Bakterien möglich wird. Die Automatisierung schließt eine PCR-Sequenzierung mit ein, so daß am Prozeßende auftragsfähige Lösungen für Sequencer des Typs ABI bzw. A.L.F. vorliegen. In einer nicht sensorisch rückgekoppelten Roboteranlage, wie sie in dieser Arbeit verwirklicht wurde, muß eine ausreichende Lagestabilisierung der Einzelkomponenten gewährleistet sein. Bewegte Teile müssen durch besondere Konstruktionen in definierte Positionen gebracht werden, um auftretende Toleranzen auszugleichen. Ein Ergebnis dieser Arbeit ist unter anderem ein mechanisches Korrektursystem, das erst den automatisierten Betrieb der Plasmidpräparation ermöglicht. Die Plasmid-Präparationsprotokolle der Fa. Qiagen wurden auf die entstandene Anlage portiert. Hierzu wurde eine Vakuumkammer entwickelt, die über eine eigens hierfür konzipierte elektronische Ansteuerung verfügt. Über diese Elektronik wird unter anderem die Vakuumkammer von einer Regelungs- und Steuerungssoftware angesteuert. Diese Software ist objektorientiert entworfen, gemäß Iso9000 dokumentiert und in C++ implementiert worden. Sie regelt nicht nur die Ventileinstellungen der Vakuumkammer sondern moderiert auch die Kommunikation der übrigen Roboter und die Ansteuerung der am Ablauf des Protokolls beteiligten Maschinen.Modern sequencing efforts are targetting the analysis of complete genomes. The huge amount of work to be done in laboratory may only be fulfilled with automated processing of the corresponding preparations. In this thesis, commercially available robot systems and new developments were combined, so that an unattended preparation of plasmid vectors directly from living bacteria is possible. The automation process includes a PCR-sequencing reaction which produces samples which can directly be fed into sequencers like A.L.F. or some models of ABI. In a robot system which has no sensoric feed-back strategy, like developed in this thesis, should have a sufficient site-stabilization of each component which is to be moved. Special constructions which compensate occurring tolerances ensure, that moved parts will remain in perfect matched position. One result of this thesis is a mechanical correction system which finally makes unattended operation possible. Qiagen's protocols for plasmid preparation are used with this system. For this, a vacuum chamber was developed which uses an own electronic system. With this, the vacuum chamber is regulated by a monitoring software package. This software has an object oriented design, is documented using the ISO9000 scheme and implemented in C++. The software is not only regulating the valves of the vacuum chamber but moderates the communication of all other robots and other machines being involved in the preparation protocol, too

Aufbau und Anwendung eines Systems zur Spektralanalyse von Gyrotronpulsen im Millimeterwellenbereich. (KIT Scientific Reports ; 7541)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Messsystem zur Untersuchung parasitärer HF-Oszillationen in Hochleistungs-Millimeterwellenoszillatoren (sog. Gyrotrons) aufgebaut und angewendet. Die Arbeit beschreibt den Aufbau des Systems und die Auswertung mit Hilfe des Systems gewonnener Messreihen. Durch ein spezielles Auswertungsverfahren im Brillouindiagramm und ergänzende Simulationen konnten sowohl Art als auch Entstehungsort verschiedener parasitärer Schwingungen identifiziert werden

Eine virtuelle Gemeinschaft für die Planung von Servicerobotern

Die Forderungen des Marktes nach immer leistungsfähigeren Produkten resultiert zum einen in einer stetig steigenden Varianten Vielfalt, zum anderen in einem Anstieg der Produktkomplexität. Steigende roduktfunktionalität und -komplexität, immer kürzer werdende Innovationszyklen bei gleichzeitiger Steigerung der Qualität und Reduzierung von Kosten, stellen immer höhere Anforderungen an die Entwickler und an die Struktur des Produktentwicklungsprozesses. Die Folge ist eine steigende Anzahl eingebundener Experten aus unterschiedlichen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen sowie die Notwendigkeit einer detaillierten Produktplanung. Dies erfordert eine enge Einbindung aller an der Produktentwicklung beteiligten Personen. Insbesondere sind dies der Kunde, der seine Wünsche äußert, die Entwickler, die das technische Know-How besitzen und Projektpartner aus unterschiedlichen Industriebranchen, die auf die Entwicklung Einfluß nehmen. [... aus dem Text

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

Entwicklung einer updatefähigen Embedded-Linux-Hardwareplattform zumEinsatz in einer speziellen Gerätesteuerung

Das Projekt „Pfeifen-Orgel mit dynamischer Stimmung“ ist ein Steuerungssystem zur Verbesserung der Klangqualität einer Orgel. Das System besteht aus dezentralen Elementen und einer zentralen Steuerung. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung der zentralen Einheit, der Zentralen Akor-Steuerung. Ihre Aufgabe umfasst grundlegend die Mikrocontroller gestützte Datenverarbeitung und Kommunikation über spezielle, m Projekt benötigte Peripherie. Für die an diese Arbeit angrenzende Entwicklung der Steuerungssoftware, verfügt die Hardwareplattform über ein angepasstes Embedded Linux

Analyse der Knochendeformation und Muskelkräfte der menschlichen Tibia

Für die Erforschung des Weltraums durch den Menschen, aber auch für die Gesundheit auf der Erde allgemein, ist ein grundlegendes Verständnis über die Adaption des Knochens essentiell. Die Regulierung des Auf- und Abbaus des Knochens wird über seine Deformation gesteuert, welche wiederum aus der mechanischen Belastung dessen resultiert. Diese Zusammenhänge zu verstehen, die Auswirkungen von verschiedenen Aktivitäten auf die Deformation des Knochens zu kennen und in Relation setzten zu können, ist der Schlüssel zu dem gesuchten, grundlegenden Verständnis. Im Zuge dieser Arbeit wurde hierfür eine Methode entwickelt, diese Zusammenhänge qualitativ und quantitativ herzuleiten. Basierend auf in vivo Messungen an der Tibia wurde ein Algorithmus zur in silico Analyse der vorliegenden Daten entwickelt. Dieser macht sich die Konsequenzen des Hookeschen Gesetzes in Form des Superpositionsprinzips zu Nutze, um quasi-invers aus der gemessenen Deformationsbewegung die dafür notwendigen Kräfte zu bestimmen. Diese können in einer Finite Elemente Analyse (FEA) mit den rekonstruierten Tibia-Knochen verwendet werden, um deren Spannungs-Dehnungs-Zustand zu bestimmen. Zur Validierung der Annahmen und Randbedingungen des Algorithmus wurde ein biomechanischer Messstand konstruiert. In diesem konnten in replica und ex vivo Untersuchungen durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wurden Tibia-Replikate aus Komposite-Material bzw. Leichenbeine künstlich über Aktuatoren mit Kräften beaufschlagt und über eine spezielle Anwendung von Motion Capturing die Deformationsbewegung des Knochens gemessen. Die Auswertung der in vivo Daten mittels der in silico Analyse lieferte quantitative Ergebnisse zur Dehnung in der Tibia für diverse alltägliche Aktivitäten. Diese Ergebnisse sind, im Gegensatz zur bisherigen gängigen Methode, jedoch nicht auf einen singulären Messpunkt limitiert, sondern decken den kompletten rekonstruierten Bereich der Tibia ab. Dies führte zur Feststellung, dass die aktuell angenommenen Werte zu niedrig angesetzt sind. Hinzu kommt, dass die Analyse eine zeitliche und örtliche Varianz der Peak-Dehnungen im Knochen über den Ablauf einer Aktivität aufzeigt. Diese Ergebnisse verändern das bisherige Verständnis über die Knochenadaption und deren Regulierungsmechanismen