Proceedings Work-In-Progress Session of the 13th Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium

The Work-In-Progress session of the 13th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS\u2707) presents papers describing contributions both to state of the art and state of the practice in the broad field of real-time and embedded systems. The 17 accepted papers were selected from 19 submissions. This proceedings is also available as Washington University in St. Louis Technical Report WUCSE-2007-17, at http://www.cse.seas.wustl.edu/Research/FileDownload.asp?733. Special thanks go to the General Chairs – Steve Goddard and Steve Liu and Program Chairs - Scott Brandt and Frank Mueller for their support and guidance

Entwicklung und Analyse eines Zug-zentrischen Entfernungsmesssystems mittels Colored Petri Nets

Based on the technology trends, the train control system should weaken the proportion of ground facilities, and give trains more individual initiative than in the past. As a result, the safety and flexibility of the train control system can be further improved. In this thesis, an enhanced movement authority system is proposed, which combines advantages of the train-centric communication with current movement authority mechanisms. To obtain the necessary train distance interval data, the onboard equipment and a new train-to-train distance measurement system (TTDMS) are applied as normal and backup strategies, respectively. While different location technologies have been used to collect data for trains, the development and validation of new systems remain challenges. In this thesis, formal approaches are presented for developing and verifying TTDMS. To assist the system development, the Colored Petri nets (CPNs) are used to formalize and evaluate the system structure and its behavior. Based on the CPN model, the system structure is validated. Additionally, a procedure is proposed to generate a Code Architecture from the formal model. The system performance is assessed in detection range and accuracy. Therefore both mathematical simulation and practical measurements validation are implemented. The results indicate that the system is feasible to carry out distance measurements both in metropolitan and railway lines, and the formal approaches are reusable to develop and verify other systems. As the target object, TTDMS is based on a spread-spectrum technology to accomplish distance measurement. The measurement is carried out by applying Time of Arrival (TOA) to calculate the distance between two trains, and requires no synchronized time source of transmission. It can calculate the time difference by using the autocorrelation of Pseudo Random Noise (PRN) code. Different from existing systems in air and maritime transport, this system does not require any other localization unit, except for communication architecture. To guarantee a system can operate as designed, it needs to be validated before its application. Only when system behaviors have been validated other relative performances' evaluations make sense. Based on the unambiguous definition of formal methods, TTDMS can be described much clearer by using formal methods instead of executable codes.Basierend auf technologischen Trends sollte das Zugbeeinflussungssystem den Anteil der Bodenanlagen reduzieren und den Zügen mehr Eigeninitiative geben als in der Vergangenheit, da so die funktionale Sicherheit und die Flexibilität des Zugbeeinflussungssystems erhöht werden können. In dieser Arbeit wird ein verbessertes System vorgeschlagen, das die Vorteile der zugbezogenen Kommunikation mit den aktuellen Fahrbefehlsmechanismen kombiniert. Um die notwendigen Daten des Zugabstandsintervalls zu erhalten, werden die Bordausrüstung und ein neues Zug-zu-Zug-Entfernungsmesssystem (TTDMS) als normale bzw. Backup-Strategien angewendet. Während verschiedene Ortungstechnolgien zur Zugdatenerfassung genutzt wurden, bleibt die Entwicklung und Validierung neuer Systeme eine Herausforderung. In dieser Arbeit werden formale Ansätze zur Entwicklung und Verifikation von TTDMS vorgestellt. Zur Unterstützung der Systementwicklung werden CPNs zur Formalisierung und Bewertung der Systemstruktur und ihres Verhaltens eingesetzt. Basierend auf dem CPN-Modell wird die Systemstruktur validiert. Zusätzlich wird eine Methode vorgeschlagen, mit der eine Code-Architektur aus dem formalen Modell generiert werden kann. Die Systemleistung wird im Erfassungsbereich und in der Genauigkeit beurteilt. Daher werden sowohl eine mathematische Simulation als auch eine praktische Validierung der Messungen implementiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das System in der Lage ist, Entfernungsmessungen in Metro- und Eisenbahnlinien durchzuführen. Zudem sind die formalen Ansätze bei der Entwicklung und Verifikation anderer Systeme wiederverwendbar. Die Abstandsmessung mit TTDMS basiert auf einem Frequenzspreizungsverfahren. Die Messung wird durchgeführt, indem die Ankunftszeit angewendet wird, um den Abstand zwischen zwei Zügen zu berechnen. Dieses Verfahren erfordert keine Synchronisierung der Zeitquellen der Übertragung. Der Zeitunterschied kann damit berechnet werden, indem die Autokorrelation des Pseudo-Random-Noise-Codes verwendet wird. Im Unterschied zu Systemen im Luft- und Seeverkehr benötigt dieses System keine andere Lokalisierungseinheit als die Kommunikationsarchitektur. Um zu gewährleisten, dass ein System wie vorgesehen funktioniert, muss es validiert werden. Nur wenn das Systemverhalten validiert wurde, sind Bewertungen anderer relativer Leistungen sinnvoll. Aufgrund ihrer eindeutigen Definition kann das TTDMS mit formalen Methoden klarer beschrieben werden als mit ausführbaren Codes

Verifizierbare Entwicklung eines satellitenbasierten Zugsicherungssystems mit Petrinetzen

Nowadays model-based techniques are widely used in system design and development, especially for safety-critical systems such as train control systems. Given a design model, executable codes could be generated automatically from the model following certain transformation rules. A high-quality model of a system provides a good understanding, a favourable structure, a reasonable scale and abstraction level as well as realistic behaviours with respect to the concurrent operation of independent subsystems. Motivated by this principle, a first Coloured Petri Net (CPN) model of a satellite-based train control system (SatZB) with the capability of continuous simulation is developed employing the BASYSNET method which adopts Petri nets as the means of description during the whole development process. After establishing the system model, the verification tasks are identified based on the hazard analysis of the train control system. To verify the identified tasks for quality assurance, verification by means of simulation, formal analysis and testing is carried out considering the four representing system properties: function, state, structure and behaviour. For structural analysis, the concept of open nets is proposed to check the reproducibility of empty markings of scenario nets, the existence of dead transitions in the scenario nets, and the terminating states of the scenario nets. The system behaviour, in which states are involved, is investigated by reachability analysis. Unlike the conventional method of reachability analysis by calculating the state space of the Petri net, techniques based on Petri net unfoldings are introduced in this thesis. As to the functional verification, two model-based test generation techniques, i.e., CPN-based and SPENAT (Safe Place Transition Nets with Attributes)-based techniques, are presented. In this thesis, the proposed methods are exemplified by the application to the on-board module of SatZB model. According to the verification results, no errors were found in the module. Therefore, the confidence in the quality of the on-board module has been significantly increased.Heutzutage werden in zahlreichen Anwendungen modellbasierte Techniken zur Systementwicklung, insbesondere für sicherheitskritische Systeme wie Eisenbahnleit- und -sicherungssysteme, verwendet. Aus einem Design Modell kann dabei ausführbarer Code automatisch nach bestimmten Transformationsregeln generiert werden. Ein hochwertiges Modell des Systems bietet für die Entwicklung ein gutes Verständnis, eine günstige Struktur, eine angemessene Größenordnung und Abstraktionsebene als auch realistische Verhaltensweisen in Bezug auf den gleichzeitigen Betrieb von unabhängigen Subsystemen. Motiviert von dieses Prinzip wird ein erstes Farbige Petri-Netz (CPN)-Modell eines satellitenbasierten Zugsicherungssystem (SatZB) unter Verwendung der BASYSNET Methode entwickelt, der Petri-Netze als Beschreibungsmittel während des gesamten Entwicklungsprozesses nutzt. Dieses Modell bietet die Möglichkeit zur kontinuierlichen Simulation des Systemverhaltens. Nach der Erstellung des Systemmodells werden die Verifikationsaufgaben auf der Grundlage der Gefährdungsanalyse des Zugsicherungssystems identifiziert. Die abgeleiteten Bedingungen werden zur Qualitätssicherung durch Simulation, formale Analysen und Tests unter Berücksichtigung der vier Systemeigenschaften (Funktion, Zustand, Struktur und Verhalten) verifiziert. Für die Strukturanalyse wird das Konzept der offenen Netzen vorgeschlagen, um die Reproduzierbarkeit der leeren Markierungen der Szenario-Netze, die Existenz der Toten Transitionen in den Szenario-Netze, und die Abschluss Zustände der Szenario-Netze zu prüfen. Das Systemverhalten wird dabei durch Zustände beschrieben und durch eine Erreichbarkeitsanalyse untersucht. Im Gegensatz zu der konventionellen Methode, welche die Erreichbarkeit durch die Berechnung des Zustandsraums des Petri-Netzes analysiert, werden in dieser Arbeit Techniken auf Basis von Petri-Netz-Entfaltung eingeführt. Für die funktionale Verifikation werden zwei modellbasierte Testgenerierungstechniken, eine CPN-basierte und eine SPENAT (Sicheres Petrinetz mit Attributen)-basierte, vorgestellt. In dieser Arbeit werden die vorgeschlagenen Methoden durch die Anwendung auf das On-Board-Modul des SatZB-Modells veranschaulicht. Dabei wurden nach dem Abschluss der Prüfungen keine Fehler im Modul gefunden, wodurch das Vertrauen in die Qualität des On-Board-Moduls deutlich erhöht wurde

Performance Analysis of Live-Virtual-Constructive and Distributed Virtual Simulations: Defining Requirements in Terms of Temporal Consistency

This research extends the knowledge of live-virtual-constructive (LVC) and distributed virtual simulations (DVS) through a detailed analysis and characterization of their underlying computing architecture. LVCs are characterized as a set of asynchronous simulation applications each serving as both producers and consumers of shared state data. In terms of data aging characteristics, LVCs are found to be first-order linear systems. System performance is quantified via two opposing factors; the consistency of the distributed state space, and the response time or interaction quality of the autonomous simulation applications. A framework is developed that defines temporal data consistency requirements such that the objectives of the simulation are satisfied. Additionally, to develop simulations that reliably execute in real-time and accurately model hierarchical systems, two real-time design patterns are developed: a tailored version of the model-view-controller architecture pattern along with a companion Component pattern. Together they provide a basis for hierarchical simulation models, graphical displays, and network I/O in a real-time environment. For both LVCs and DVSs the relationship between consistency and interactivity is established by mapping threads created by a simulation application to factors that control both interactivity and shared state consistency throughout a distributed environment

Land-Cover and Land-Use Study Using Genetic Algorithms, Petri Nets, and Cellular Automata

Recent research techniques, such as genetic algorithm (GA), Petri net (PN), and cellular automata (CA) have been applied in a number of studies. However, their capability and performance in land-cover land-use (LCLU) classification, change detection, and predictive modeling have not been well understood. This study seeks to address the following questions: 1) How do genetic parameters impact the accuracy of GA-based LCLU classification; 2) How do image parameters impact the accuracy of GA-based LCLU classification; 3) Is GA-based LCLU classification more accurate than the maximum likelihood classifier (MLC), iterative self-organizing data analysis technique (ISODATA), and the hybrid approach; 4) How do genetic parameters impact Petri Net-based LCLU change detection; and 5) How do cellular automata components impact the accuracy of LCLU predictive modeling. The study area, namely the Tickfaw River watershed (711mi²), is located in southeast Louisiana and southwest Mississippi. The major datasets include time-series Landsat TM / ETM images and Digital Orthophoto Quarter Quadrangles (DOQQ’s). LCLU classification was conducted by using the GA, MLC, ISODATA, and Hybrid approach. The LCLU change was modeled by using genetic PN-based process mining technique. The process models were interpreted and input to a CA for predicting future LCLU. The major findings include: 1) GA-based LCLU classification is more accurate than the traditional approaches; 2) When genetic parameters, image parameters, or CA components are configured improperly, the accuracy of LCLU classification, the coverage of LCLU change process model, and/or the accuracy of LCLU predictive modeling will be low; 3) For GA-based LCLU classification, the recommended configuration of genetic / image parameters is generation 2000-5000, population 1000, crossover rate 69%-99%, mutation rate 0.1%-0.5%, generation gap 25%-50%, data layers 16-20, training / testing data size 10000-20000 / 5000-10000, and spatial resolution 30m-60m; 4) For genetic Petri nets-based LCLU change detection, the recommended configuration of genetic parameters is generation 500, population 300, crossover rate 59%, mutation rate 5%, and elitism rate 4%; and 5) For CA-based LCLU predictive modeling, the recommended configuration of CA components is space 6025 * 12993, state 2, von Neumann neighborhood 3 * 3, time step 2-3 years, and optimized transition rules

Recent advances in petri nets and concurrency

CEUR Workshop Proceeding