Developing sensor signal-based digital twins for intelligent machine tools

Abstract Digital twins can assist machine tools in performing their monitoring and troubleshooting tasks autonomously from the context of smart manufacturing. For this, a special type of twin denoted as sensor signal-based twin must be constructed and adapted into the cyber-physical systems. The twin must (1) machine-learn the required knowledge from the historical sensor signal datasets, (2) seamlessly interact with the real-time sensor signals, (3) handle the semantically annotated datasets stored in clouds, and (4) accommodate the data transmission delay. The development of such twins has not yet been studied in detail. This study fills this gap by addressing sensor signal-based digital twin development for intelligent machine tools. Two computerized systems denoted as Digital Twin Construction System (DTCS) and Digital Twin Adaptation System (DTAS) are proposed to construct and adapt the twin, respectively. The modular architectures of the proposed DTCS and DTAS are presented in detail. The real-time responses and delay-related computational arrangements are also elucidated for both systems. The systems are also developed using a Java™-based platform. Milling torque signals are used as an example to demonstrate the efficacy of DTCS and DTAS. This study thus contributes toward the advancement of intelligent machine tools from the context of smart manufacturing

Distributed resilient filtering of large-scale systems with channel scheduling

summary:This paper addresses the distributed resilient filtering for discrete-time large-scale systems (LSSs) with energy constraints, where their information are collected by sensor networks with a same topology structure. As a typical model of information physics systems, LSSs have an inherent merit of modeling wide area power systems, automation processes and so forth. In this paper, two kinds of channels are employed to implement the information transmission in order to extend the service time of sensor nodes powered by energy-limited batteries. Specifically, the one has the merit of high reliability by sacrificing energy cost and the other reduces the energy cost but could result in packet loss. Furthermore, a communication scheduling matrix is introduced to govern the information transmission in these two kind of channels. In this scenario, a novel distributed filter is designed by fusing the compensated neighboring estimation. Then, two matrix-valued functions are derived to obtain the bounds of the covariance matrices of one-step prediction errors and the filtering errors. In what follows, the desired gain matrices are analytically designed to minimize the provided bounds with the help of the gradient-based approach and the mathematical induction. Furthermore, the effect on filtering performance from packet loss is profoundly discussed and it is claimed that the filtering performance becomes better when the probability of packet loss decreases. Finally, a simulation example on wide area power systems is exploited to check the usefulness of the designed distributed filter

Internet of Drones (IoD): Threats, Vulnerability, and Security Perspectives

The development of the Internet of Drones (IoD) becomes vital because of a proliferation of drone-based civilian or military applications. The IoD based technological revolution upgrades the current Internet environment into a more pervasive and ubiquitous world. IoD is capable of enhancing the state-of-the-art for drones while leveraging services from the existing cellular networks. Irrespective to a vast domain and range of applications, IoD is vulnerable to malicious attacks over open-air radio space. Due to increasing threats and attacks, there has been a lot of attention on deploying security measures for IoD networks. In this paper, critical threats and vulnerabilities of IoD are presented. Moreover, taxonomy is created to classify attacks based on the threats and vulnerabilities associated with the networking of drone and their incorporation in the existing cellular setups. In addition, this article summarizes the challenges and research directions to be followed for the security of IoD.Comment: 13 pages, 3 Figures, 1 Table, The 3rd International Symposium on Mobile Internet Security (MobiSec'18), Auguest 29-September 1, 2018, Cebu, Philippines, Article No. 37, pp. 1-1

Energy and Performance: Management of Virtual Machines: Provisioning, Placement, and Consolidation

Cloud computing is a new computing paradigm that offers scalable storage and compute resources to users on demand through Internet. Public cloud providers operate large-scale data centers around the world to handle a large number of users request. However, data centers consume an immense amount of electrical energy that can lead to high operating costs and carbon emissions. One of the most common and effective method in order to reduce energy consumption is Dynamic Virtual Machines Consolidation (DVMC) enabled by the virtualization technology. DVMC dynamically consolidates Virtual Machines (VMs) into the minimum number of active servers and then switches the idle servers into a power-saving mode to save energy. However, maintaining the desired level of Quality-of-Service (QoS) between data centers and their users is critical for satisfying users’ expectations concerning performance. Therefore, the main challenge is to minimize the data center energy consumption while maintaining the required QoS. This thesis address this challenge by presenting novel DVMC approaches to reduce the energy consumption of data centers and improve resource utilization under workload independent quality of service constraints. These approaches can be divided into three main categories: heuristic, meta-heuristic and machine learning. Our first contribution is a heuristic algorithm for solving the DVMC problem. The algorithm uses a linear regression-based prediction model to detect over-loaded servers based on the historical utilization data. Then it migrates some VMs from the over-loaded servers to avoid further performance degradations. Moreover, our algorithm consolidates VMs on fewer number of server for energy saving. The second and third contributions are two novel DVMC algorithms based on the Reinforcement Learning (RL) approach. RL is interesting for highly adaptive and autonomous management in dynamic environments. For this reason, we use RL to solve two main sub-problems in VM consolidation. The first sub-problem is the server power mode detection (sleep or active). The second sub-problem is to find an effective solution for server status detection (overloaded or non-overloaded). The fourth contribution of this thesis is an online optimization meta-heuristic algorithm called Ant Colony System-based Placement Optimization (ACS-PO). ACS is a suitable approach for VM consolidation due to the ease of parallelization, that it is close to the optimal solution, and its polynomial worst-case time complexity. The simulation results show that ACS-PO provides substantial improvement over other heuristic algorithms in reducing energy consumption, the number of VM migrations, and performance degradations. Our fifth contribution is a Hierarchical VM management (HiVM) architecture based on a three-tier data center topology which is very common use in data centers. HiVM has the ability to scale across many thousands of servers with energy efficiency. Our sixth contribution is a Utilization Prediction-aware Best Fit Decreasing (UP-BFD) algorithm. UP-BFD can avoid SLA violations and needless migrations by taking into consideration the current and predicted future resource requirements for allocation, consolidation, and placement of VMs. Finally, the seventh and the last contribution is a novel Self-Adaptive Resource Management System (SARMS) in data centers. To achieve scalability, SARMS uses a hierarchical architecture that is partially inspired from HiVM. Moreover, SARMS provides self-adaptive ability for resource management by dynamically adjusting the utilization thresholds for each server in data centers.Siirretty Doriast

Survivability modeling for cyber-physical systems subject to data corruption

Cyber-physical critical infrastructures are created when traditional physical infrastructure is supplemented with advanced monitoring, control, computing, and communication capability. More intelligent decision support and improved efficacy, dependability, and security are expected. Quantitative models and evaluation methods are required for determining the extent to which a cyber-physical infrastructure improves on its physical predecessors. It is essential that these models reflect both cyber and physical aspects of operation and failure. In this dissertation, we propose quantitative models for dependability attributes, in particular, survivability, of cyber-physical systems. Any malfunction or security breach, whether cyber or physical, that causes the system operation to depart from specifications will affect these dependability attributes. Our focus is on data corruption, which compromises decision support -- the fundamental role played by cyber infrastructure. The first research contribution of this work is a Petri net model for information exchange in cyber-physical systems, which facilitates i) evaluation of the extent of data corruption at a given time, and ii) illuminates the service degradation caused by propagation of corrupt data through the cyber infrastructure. In the second research contribution, we propose metrics and an evaluation method for survivability, which captures the extent of functionality retained by a system after a disruptive event. We illustrate the application of our methods through case studies on smart grids, intelligent water distribution networks, and intelligent transportation systems. Data, cyber infrastructure, and intelligent control are part and parcel of nearly every critical infrastructure that underpins daily life in developed countries. Our work provides means for quantifying and predicting the service degradation caused when cyber infrastructure fails to serve its intended purpose. It can also serve as the foundation for efforts to fortify critical systems and mitigate inevitable failures --Abstract, page iii

Adaptive optical interconnects: The ADDAPT project

Existing optical networks are driven by dynamic user and application demands but operate statically at their maximum performance. Thus, optical links do not offer much adaptability and are not very energy-effcient. In this paper a novel approach of implementing performance and power adaptivity from system down to optical device, electrical circuit and transistor level is proposed. Depending on the actual data load, the number of activated link paths and individual device parameters like bandwidth, clock rate, modulation format and gain are adapted to enable lowering the components supply power. This enables exible energy-efficient optical transmission links which pave the way for massive reductions of CO2 emission and operating costs in data center and high performance computing applications. Within the FP7 research project Adaptive Data and Power Aware Transceivers for Optical Communications (ADDAPT) dynamic high-speed energy-efficent transceiver subsystems are developed for short-range optical interconnects taking up new adaptive technologies and methods. The research of eight partners from industry, research and education spanning seven European countries includes the investigation of several adaptive control types and algorithms, the development of a full transceiver system, the design and fabrication of optical components and integrated circuits as well as the development of high-speed, low-loss packaging solutions. This paper describes and discusses the idea of ADDAPT and provides an overview about the latest research results in this field

Stochastic Control for Cooperative Cyber-Physical Networking

Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar