Zuverlässige und herstellerübergreifende Medizingeräteinteroperabilität: Beiträge zur IEEE 11073 SDC-Normenfamilie

Medizingeräte im Krankenhaus sind heute fast ausschließlich isolierte Insellösungen. Sie stellen nach außen keine Informationen und Interaktionsmöglichkeiten bereit - oder nur innerhalb ihres geschlossenen Ökosystems. Daher führt diese Arbeit in die neue IEEE 11073 Service-oriented Device Connectivity (SDC)-Normenfamilie ein, die eine herstellerübergreifende Interoperabilität ermöglicht. Es werden drei Anwendungsbereiche betrachtet: zuverlässige Fernauslösung von Gerätefunktionalitäten, dynamische Assoziierung von Fernsteuerungselementen und -operationen und verteilte Alarmierungssysteme.Medical devices in today's hospitals are almost always isolated systems, which do not transmit information to or interact with external devices. At the most, this is possible within closed company ecosystems. Thus, this work introduces the new IEEE 11073 Service-oriented Device Connectivity (SDC) family of standards, which provides manufacturer-independent interoperability. Three fields of application are considered: safe activation of a device's functionality, dynamic association of a random number of remote-control elements and remote-controllable operations, and distributed alarm systems

Adaptivität und semantische Interoperabilität von Manufacturing Execution Systemen (MES)

MES (Manufacturing Execution Systems) are situated between automation and management level and are affected from changes of the production. Therefore their adaptivity within the lifecycle of production plants is mission critical. Furthermore MES act as data and information hub. This means that they have to work together with other systems in an efficient and seamless way. MES must be interoperable and must have semantics under control. The present publication faces both aspects

Model-based condition and process monitoring based on socio-cyber-physical systems

Die produzierende Industrie strebt im Rahmen der vierten industriellen Revolution, Industrie 4.0, die Optimierung der klassischen Zielgrößen Qualität, Kosten und Zeit sowie Ressourceneffizienz, Flexibilität, Wandlungsfähigkeit und Resilienz in globalen, volatilen Märkten an. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung von Smart Factories, in denen sich relevante Objekte, Produktions-, Logistik- und Informationssysteme sowie der Mensch vernetzen. Cyber-physische Systeme (CPS) tragen als sensorisierte und aktorisierte, resiliente und intelligente Gesamtsysteme dazu bei, Produktionsprozesse und -maschinen sowie die Produktqualität zu kontrollieren. Vordergründig wird die technische Komplexität von Produktionssystemen und damit auch zugehöriger Instandhaltungsprozesse durch die Anforderungen an deren Wandlungsfähigkeit und den zunehmenden Automatisierungsgrad ansteigen. Heraus-forderungen bei der Entwicklung und Implementierung von CPS liegen in fehlenden Interoperabilitäts- und Referenzarchitekturkonzepten sowie der unzureichend definierten Interaktion von Mensch und CPS begründet. Sozio-cyber-physische Systeme (Sozio-CPS) fokussieren die bidirektionale Interaktion von Mensch und CPS und adressieren diese Problemstellung. Gegenstand und Zielstellung dieser Dissertationsschrift ist die Definition von Sozio-CPS in der Domäne der Zustands- und Prozessüberwachung von Smart Factories. Untersucht werden dabei Nutzungsszenarien von Sozio-CPS, die ganzheitliche Formulierung von Systemarchitekturen sowie die Validierung der entwickelten Lösungsansätze in industriellen Anwendungsszenarien. Eine erfolgreiche Umsetzung von Sozio-CPS in drei heterogenen Validierungsszenarien beweist die Korrektheit und Anwendbarkeit der Lösungsansätze.Within the scope of the fourth industrial revolution, Industry 4.0, the manufacturing industry is trying to optimize the traditional target figures of quality, costs and time as well as resource efficiency, flexibility, adaptability and resilience in volatile global markets. The focus is on the development of smart factories, in which relevant objects and humans are interconnected . Cyber-physical systems (CPS) are used as sensorized and actuatorized, resilient and intelligent overall systems to control production processes, machines and product quality . The technical complexity of production systems and their associated maintenance processes are rising due to the demands on their adaptability and the increasing automation. Challenges in the development and implementation of CPS include the lack of interoperability and reference architecture concepts as well as the insufficiently defined interaction of people and CPS. Socio-cyber-physical systems (Socio-CPS) focus on bidirectional interaction of humans and CPS to address this problem. The scope and objective of this dissertation is to define Socio-CPS in the condition and process monitoring of smart factories. This dissertation utilizes scenarios of Socio-CPS, holistically defines system architectures and validates the solutions developed in industrial applications. The successful implementation of Socio-CPS in three heterogeneous validation scenarios proves the correctness and applicability of the solutions

SoCRocket - A flexible and extensible Virtual Platform for the development of robust Embedded Systems

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Erhöhung des Abstraktionsniveaus im Entwurfsprozess, speziell dem Entwurf von Systemen auf Basis von Virtuellen Plattformen (VPs), Transaction-Level-Modellierung (TLM) und SystemC. Es wird eine ganzheitliche Methode vorgestellt, mit der komplexe eingebettete Systeme effizient modelliert werden können. Ergebnis ist eine der RTL-Synthese nahezu gleichgestellte Genauigkeit bei wesentlich höherer Flexibilität und Simulationsgeschwindigkeit. Das SoCRocket-System orientiert sich dazu an existierenden Standards und stellt Methoden zu deren effizientem Einsatz zur Verbesserung von Simulationsgeschwindigkeit und Simulationsgenauigkeit vor. So wird unter anderem gezeigt, wie moderne Multi-Kanal-Protokolle mit Split-Transfers durch Ausgleich des Intertransaktions-Timings ohne die Einführung zusätzlicher Protokollphasen zeitlich genau modelliert werden können. Standardisierungslücken in den Bereichen Speichermodellierung und Systemkonfiguration werden durch standardoffene Lösungen geschlossen. Darüber hinaus wird neue Infrastruktur zur Modellierung von Signalkommunikation auf Transaktionsebene, der Verifikation von Komponenten und der Modellierung des Energieverbrauchs vorgestellt. Zur Demonstration wurden die Kernkomponenten einer im europäischen Raumfahrtsektor maßgeblichen Hardwarebibliothek modelliert. Alle Komponenten wurden zunächst in Unit-Tests verifiziert und anschließend in einem Systemprototypen integriert. Zur Verifikation der Funktion, sowie Bestimmung von Simulationsgeschwindigkeit und zeitlicher Genauigkeit, wurde dieser für unterschiedliche Abstraktionsstufen konfiguriert und mit einem in VHDL beschriebenen RISC-Referenzentwurf (LEON3MP) verglichen. Das System mit losem Timing (LT) und blockierender Kommunikation ist im Durchschnitt 561-mal schneller als die RTL-Referenz und weist eine durchschnittliche Timing-Abweichung von 7,04% auf. Das System mit näherungsweise akkuratem Timing (AT) und nicht-blockierender Kommunikation ist 335-mal schneller. Die durchschnittliche Timing-Abweichung beträgt hier nur noch 3,03%, was einer Standardabweichung von 0.033 und damit einer sehr hohen statistischen Sicherheit entspricht. Die verschiedenen Abstraktionsniveaus können zur Realisierung mehrstufiger Architekturexplorationen eingesetzt werden. Dies wird am Beispiel einer hyperspektralen Bildkompression verdeutlicht.The focus of this work is raising the abstraction level in the development process, especially for the design of systems based on Virtual Platforms (VPs), Transaction Level Modeling (TLM), and SystemC. A holistic method for efficient modeling of complex embedded systems is presented. Results are accuracies close to RTL synthesis but at much higher flexibility, and simulation performance. The SoCRocket system integrates existing standards and introduces new methods for improvement of simulation performance and accuracy. It is shown, amongst others, how modern multi-channel protocols with split transfers can be accurately modeled by compensating inter-transaction timing without introducing additional protocol phases. Standardization gaps in the area of memory modeling and system configuration are closed by standard-open solutions. Furthermore, new infrastructure for modeling signal communication on transaction level, verification of components, and estimating power consumption are presented. All components have been verified in unit tests and were subsequently integrated in a system prototype. For functional verification, as well as measurement of simulation performance and accuracy, the prototype was configured for different abstractions and compared to a VHDL-based RISC reference design (LEON3MP). The loosely-timed platform prototype with blocking communication (LT) is in average 561 times faster than the RTL reference and shows an average timing deviation of 7,04%. The approximately-timed system (AT) with non-blocking communication is 335 times faster. Here, the timing deviation is only 3,03 %, corresponding to a standard deviation of 0.033, proving a very high statistic certainty. The system’s various abstraction levels can be exploited by a multi-stage architecture exploration. This is demonstrated by the example of a hyperspectral image compression

Plug and Work für verteilte Echtzeitsysteme mit Zeitsynchronisation

Die in der industriellen Automation verwendeten Echtzeitsysteme zeichnen sich heute durch einen hohen Aufwand an manueller Konfiguration aus. Industrie 4.0 beschreibt hingegen flexible Produktionssysteme, die schnell und einfach umgebaut und an neue Anforderungen angepasst werden können. Hier sollen in Zukunft automatische Konfigurationstechnologien Basis für adaptive Echtzeitsysteme und somit für wandlungsfähige Produktionssysteme sein, was auch als Plug and Work bezeichnet wird. Für die Konfiguration von Echtzeitanwendungen wie z.B. Motion Control ist unter anderem die Zeitsynchronisationsgenauigkeit von Bedeutung. Es entsteht die Frage, wie Genauigkeit eines verteilten Systems automatisch, also Plug-and-Work-fähig, bestimmt werden kann. Ein neuer Ansatz ist eine adaptive Ungenauigkeitsbestimmung auf Basis intelligenter Netzwerkknoten, welche Parameter wie Zeitsignaljitter und Oszillatorstabilität selbständig messen und zur Parametrisierung von Gerätemodellen, welche die Synchronisationscharakteristik beschreiben, nutzen. Die Modelle werden dann zur Bestimmung der in dem jeweiligen aktuellen Arbeitspunkten erzeugten Ungenauigkeiten verwendet

Mobility in a Globalised World 2015

The term mobility has different meanings in the following science disciplines. In economics, mobility is the ability of an individual or a group to improve their economic status in relation to income and wealth within their lifetime or between generations. In information systems and computer science, mobility is used for the concept of mobile computing, in which a computer is transported by a person during normal use. Logistics creates by the design of logistics networks the infrastructure for the mobility of people and goods. Electric mobility is one of today’s solutions from engineering perspective to reduce the need of energy resources and environmental impact. Moreover, for urban planning, mobility is the crunch question about how to optimise the different needs for mobility and how to link different transportation systems. In this publication we collected the ideas of practitioners, researchers, and government officials regarding the different modes of mobility in a globalised world, focusing on both domestic and international issues