Transformation einer EPK in eine formalisierte Methode

Dieser Beitrag untersucht die Transformation einer Ereignisgesteuerten Prozesskette in diverse formalisierte Modellierungsmethoden. Die hierfür gewählten formalen Methoden sind Business Process Model and Notation, Unified Modeling Language, Subjektorientiertes Business Process Management und Petrinetze. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Vor- und Nachteile der Methoden zu definieren und eine geeignete Methode für sowohl Modellierung als auch Automatisierung von Geschäftsprozessen zu finden. Zunächst werden theoretische Grundlagen der Geschäftsprozessmodellierung dargestellt. Des Weiteren wird auf die gesonderten Charakteristika der vorgestellten Methoden eingegangen. Ein besonderer Fokus liegt hier auf dem Thema Syntax und Semantik der Methoden. Nachfolgend werden die Ergebnisse der Transformation sowie die Vorteile und Nachteile der gewählten Methoden kritisch betrachtet. Als Grundlage für den Vergleich wurde das Beispiel eines Bewerbungsverfahrens als Ereignisgesteuerte Prozesskette entwickelt

Finite petri nets as models for recursive causal behaviour

Goltz (1988) discussed whether or not there exist finite Petri nets (with unbounded capacities) modelling the causal behaviour of certain recursive CCS terms. As a representative example, the following term is considered: \ud \ud B=(a.nilb.B)+c.nil. \ud \ud We will show that the answer depends on the chosen notion of behaviour. It was already known that the interleaving behaviour and the branching structure of terms as B can be modelled as long as causality is not taken into account. We now show that also the causal behaviour of B can be modelled as long as the branching structure is not taken into account. However, it is not possible to represent both causal dependencies and the behaviour with respect to choices between alternatives in a finite net. We prove that there exists no finite Petri net modelling B with respect to both pomset trace equivalence and failure equivalence

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

Strukturen und Werkzeuge für eine durch das Anlagenpersonal modifizierbare und ergänzbare Petrinetzanlagensteuerung

Die Zielsetzung dieser Arbeit ist ein System, das den Rückgriff auf den Systementwickler für den Nutzer einer Fertigungsanlage auch bei Produktänderungen, Maschinenveränderungen und neu einzufügender automatischer Fehlerhandhabung möglichst weitgehend überflüssig macht. Das System soll auf die in der Praxis vorkommenden Fertigungsstrukturen anwendbar sein. Dazu gehören Fertigungsanjagen mit bzw. ohne Routing-Flexibilität, mit über beschränkte Puffer oder unmittelbar zwischen Maschinen realisiertem Werkstücktransport, mit mehreren Auftragstypen bzw. Produkt-Varianten, mit Montage- bzw. Demontageaktivitäten sowie mit fehlerbehafteten Abläufen. Aus der Anforderung der Umsetzung einfacher Spezifikationen in Petrinetze folgt die Zielsetzung der Abbildung des Wissens eines Petrinetzexperten in die Form eines (wissensbasierten) Programmes. Die grundsätzliche Realisierbarkeit eines solchen Programmes erscheint deshalb plausibel, weil ein Petrinetzexperte bei der Generierung eines Petrinetzes aus Spezifikationen der Fertigungsfachleute nach bestimmten Generierungsregeln vorgeht. Die Schwierigkeit ist, daß die von einem Petrinetzfachmann „benutzten“ Regeln und sonstigen Modelle zunächst nur implizit als Expertenwissen vorhanden sind. Eine Umsetzung in ein Programm erfordert die Ermittlung der Regeln in expliziter Form und eine Modellierung des nicht-regelbasierten deskriptiven Wissens sowie eine Strukturierung dieses Wissens sowie der Petrinetzmodellierung. D.h. zunächst muß gefragt werden, wie wir als Petrinetzexperten aus einer Spezifikation eines Facharbeiters oder Betriebsingenieurs ein Petrinetz generieren. Die Ergebnisse der hierzu durchgeführten Untersuchungen und das daraus entwickelte und implementierte Programmsystem sind Gegenstand von Kapitel 2, ebenso wie ein exemplarischer Fertigungsprozeß, eine Softwareduplizierzelle (Testzelle), die zur Verifizierung der Ansätze und zur Illustration der Einzelschritte in dieser Arbeit dient. Das in Kapitel 2 dargestellte Programmsystem generiert übersichtliche Petrinetze basierend auf einer Aufspaltung in eine vom Systemingenieur zu implementierende Anlagenbeschreibung und eine vom Facharbeiter vorgebbare Anlagennutzung. Es werden die auf der Ebene der Anlagenbeschreibung und der Ebene der Petrinetz-Anlagensteuerung notwendigen Informationen und geeigneten Basis-Strukturen erläutert. Darüberhinaus wird zur verbesserten Strukturierung und Steigerung der Übersichtlichkeit der Petrinetz-Anlagensteuerung in Kapitel 3 ein neu entwickeltes Verfahren zur automatischen Bildung hierarchischer Petrinetze erläutert. Scheduling-Algorithmen und Verklemmungsbehebungsverfahren für die generierten Petrinetze werden anschließend in Kapitel 4 beschrieben. Hier werden lokale Suchverfahren erläutert und mit einigen heuristischen Prioritätsregeln verglichen, die optimierte Schaltfolgen zur Überführung eines Petrinetzes von einer Anfangs- in eine Zielmarkierung ermitteln. Das in dieser Arbeit gewählte Optimierungskriterium ist der Makespan. Als Basis dienen Petrinetzmodelle, die für das Scheduling durch das Petrinetzgenerierungssystem ebenfalls automatisch erzeugt werden und sich von den Petrinetzen zur Steuerung im wesentlichen dadurch unterscheiden, daß die den Fertigungs- und Transportoperationen zugeordneten Ausführungszeiten im Petrinetz modelliert und somit die Rückmeldungen der unterlagerten Ebenen an die Petrinetzsteuerung (z.B. „Operation fertig“) durch die Zeitbewertungen ersetzt werden. Kapitel 5 faßt die Arbeit zusammen und bewertet die Ergebnisse

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

Towards a Formal Model of Privacy-Sensitive Dynamic Coalitions

The concept of dynamic coalitions (also virtual organizations) describes the temporary interconnection of autonomous agents, who share information or resources in order to achieve a common goal. Through modern technologies these coalitions may form across company, organization and system borders. Therefor questions of access control and security are of vital significance for the architectures supporting these coalitions. In this paper, we present our first steps to reach a formal framework for modeling and verifying the design of privacy-sensitive dynamic coalition infrastructures and their processes. In order to do so we extend existing dynamic coalition modeling approaches with an access-control-concept, which manages access to information through policies. Furthermore we regard the processes underlying these coalitions and present first works in formalizing these processes. As a result of the present paper we illustrate the usefulness of the Abstract State Machine (ASM) method for this task. We demonstrate a formal treatment of privacy-sensitive dynamic coalitions by two example ASMs which model certain access control situations. A logical consideration of these ASMs can lead to a better understanding and a verification of the ASMs according to the aspired specification.Comment: In Proceedings FAVO 2011, arXiv:1204.579

ERHÖHUNG DER BAHNSICHERHEIT DURCH FORMALE METHODEN

The aim of this paper is to demonstrate the current problems of system development and to show, how formal methods can eliminate some of these problems. First the safety procass will be shown with its particioants and their roles as an introduction. In the first chapter the developing phases will be presented from the customer statement of requirements to the system specification, with their classification and deficiencies. In the next chapter the basics of the formal methods in area of test and simulation will be presented detailed with help of applications. Finally the current state of the application of formal methods and the future tasks are sketched

Matrizen- und zustandsraumreduzierende Verfahren zur Leistungsbewertung großer stochastischer Petrinetze

Viele qualitative und quantitative Analysemethoden von Petrinetzmodellen basieren auf der Berechnung aller Modellzustände. Für sehr große Modelle ist eine Berechnung wichtiger Eigenschaften aufgrund ihrer zu großen Zustandsräume oft unmöglich. Diese Restriktion ist als das Problem der Zustandsraumexplosion bekannt. Sehr große Zustandsräume ziehen darüber hinaus die Behandlung sehr großer Matrizen nach sich. Während der numerischen Analyse muß nach der Ermittlung aller Zustände eines Petrinetzmodells eine quadratische Matrix erstellt werden, deren Dimension von der Anzahl der ermittelten Zustände ist. Diese Arbeit untersucht matrizen- und zustandsraumreduzierende Verfahren zur Überwindung des Problems der Zustandsraumexplosion. Durch die in dieser Arbeit beschriebenen Verfahren sind deutlich größere Modelle als bisher analysierbar. Die Möglichkeiten und Grenzen dieser Verfahren werden untersucht und erläutert. Anhand von Beispielen werden die beschriebenen Verfahren zur Reduzierung von Matrizen und Zustandsräumen vorgestellt. Kern der Arbeit ist eine neue Aggregierungsmethode. Unter Aggregierung wird dabei der Prozeß verstanden, ein großes, komplexes Modell in ein kleineres, weniger komplexes Modell zu überführen. Bedingung einer geeigneten Aggregierung ist die Bewahrung wichtiger Eigenschaften des Originalmodells. Zu diesen Eigenschaften gehören wichtige strukturelle Merkmale eines Modells. In dieser Arbeit werden solche strukturellen Merkmale erläutert und Verfahren vorgestellt, die deren effiziente Ermittlung ermöglichen. Es wird gezeigt, daß die in dieser Arbeit präsentierte Aggregierungsmethode die für die numerische Analyse wichtigen strukturellen Eigenschaften bewahrt. Eine Bewahrung zeitbehafteter Eigenschaften von Modellen bei deren Aggregierung wurde in bisherigen Untersuchungen kaum beachtet. In dieser Arbeit wird ein Graphen basiertes Verfahren vorgestellt, mit welchem häufig auftretende Strukturen in stochastischen Petrinetzen zu einer zeitbehafteten Transition mit einer markierungsabhängigen Schaltzeit aggregiert werden. Die dadurch erzeugten aggregierten Modelle mit einem deutlich reduzierten Zustandsraum weisen für wichtige Leistungsmaße ein ähnliches, in manchen Fällen gar gleiches Verhalten auf, wie das Originalmodell. Andere bekannte Verfahren zur Angleichung des Zeitverhaltens des aggregierten Modells an das Originalmodell basieren dagegen auf aufwendigen iterativen numerischen Analysen. Durch die Vermeidung eines solchen Iterationsverfahrens läßt sich die in dieser Arbeit vorgestellte Aggregierungsmethode in bekannte approximative Analyseverfahren integrieren. Die Anwendung einer solchen Integration wird demonstriert. Abschließend wird anhand einer Reihe von Beispielen die Praktikabilität der hier vorgeschlagenen Aggregierungsmethode experimentell untersucht

Modellierung, Simulation und Steuerung flexibler Fertigungssysteme

Die diesem Beitrag zugrundeliegenden Arbeiten haben das Ziel, Methoden zur Beschreibung und Simulation von diskreten ereignisorientierten dynamischen Prozessen (DEDP) am Beispiel Flexibler Fertigungssysteme (FFS) zu entwickeln und zu erproben, sowie eine Optimierung des Fertigungsablaufs im Sinne einer Regelung vorzunehmen. Dazu wird eine hierarchische Systemstruktur aufgebaut, in der die Methode der Petrinetze (PN), ergänzt durch wissensbasierte Komponenten, zu einem effizienten integrierten Gesamtsystem führen. Konkret wird eine aus einem Verbund von sechs Bearbeitungsmaschinen bestehende Fertigungsanlage betrachtet, die durch zeitbewertete Petrinetze in zwei Abstraktionsebenen modelliert wird. Die einzelnen Bearbeitungsmaschinen der oberen Modellierungsebene liegen als PN-Module vor und werden auf der unteren Ebene jeweils als detailliertes, ebenfalls modulares PN-Maschinenmodell dargestellt, wobei hier als repräsentative technische Grundlage für den PN-Modellentwurf die Fertigungszelle MD 5 der Firma Gildemeister gewählt wurde. Diese beiden Abstraktionen bilden zusammen das dynamische ereignisdiskrete ProzeßmodeIl (DEDP-Modell) "Petrinetz", das in dem klassischen Ebenenmodell der Fertigungssteuerung nach Bild 1 der Maschinenebene entspricht. Die über der Maschinenebene liegende Steuerungsebene, sowie die darüber liegende PPS-Ebene (PPS: Produktionsplanung und -Steuerung) werden in dem äquivalenten Ebenenmodell - wie es hier Gegenstand der Betrachtung ist - zusammen als DEDP-Ebene "Planung und Steuerung" verstanden (Bild 1). Dabei erfolgt die Steuerung des Fertigungsablaufs in der realisierten PN-Modellstruktur des FFS über einen wissensbasierten Ansatz auf Basis der XPS-Entwicklungsumgebung "Goldworks" unter Einbeziehung deterministischer und heuristischer Optimierungsstrategien. Simulationsuntersuchungen des Fertigungsablaufs gestatten vertieften Einblick in das Systemverhalten und ermöglichen einen Vergleich der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Strategien zur Fertigungssteuerung