Unterstützung von Periodizität in Informationssystemen - Herausforderungen und Lösungsansätze

Die systemseitige Unterstützung von Periodizität bzw. periodischen Spezifikationen weist Anforderungen auf, die weit über die temporalen Fähigkeiten heutiger Informationssysteme hinausgehen. Im Allgemeinen charakterisieren periodische Spezifikationen Vorgänge, die aus regelmäßig wiederkehrenden Aktivitäten bestehen. Neben der Ausdrucksstärke ist die größte Herausforderung periodische Spezifikationen miteinander vergleichen zu können. Diese Vergleichbarkeit ist ein wichtiger Aspekt in einer Vielzahl von Anwendungen, etwa um vorausschauend sich eventuell ergebende potentielle Ressourcen- oder Terminkonflikte erkennen zu können. Erschwert wird dieses durch unterschiedliche (zeitliche) Granularitäten sowie Ausnahmen in entsprechenden Spezifikationen. Für den praktischen Einsatz ist es darüber hinaus unumgänglich, periodische Zusammenhänge auch im Kontext einer großen (umfangreichen) Menge periodischer Daten effizient verwalten und auswerten zu können. Der vorliegende Beitrag gibt einen Einblick in die Herausforderungen sowie einen Überblick zu in der aktuellen Literatur vorliegenden Lösungsansätzen einer systemseitigen Unterstützung von periodischen Spezifikationen

A uniform approach to the complexity and analysis of succinct systems

“ This thesis provides a unifying view on the succinctness of systems: the capability of a modeling formalism to describe the behavior of a system of exponential size using a polynomial syntax. The key theoretical contribution is the introduction of sequential circuit machines as a new universal computation model that focuses on succinctness as the central aspect. The thesis demonstrates that many well-known modeling formalisms such as communicating state machines, linear-time temporal logic, or timed automata exhibit an immediate connection to this machine model. Once a (syntactic) connection is established, many complexity bounds for structurally restricted sequential circuit machines can be transferred to a certain formalism in a uniform manner. As a consequence, besides a far-reaching unification of independent lines of research, we are also able to provide matching complexity bounds for various analysis problems, whose complexities were not known so far. For example, we establish matching lower and upper bounds of the small witness problem and several variants of the bounded synthesis problem for timed automata, a particularly important succinct modeling formalism. Also for timed automata, our complexity-theoretic analysis leads to the identification of tractable fragments of the timed synthesis problem under partial observability. Specifically, we identify timed controller synthesis based on discrete or template-based controllers to be equivalent to model checking. Based on this discovery, we develop a new model checking-based algorithm to efficiently find feasible template instantiations. From a more practical perspective, this thesis also studies the preservation of succinctness in analysis algorithms using symbolic data structures. While efficient techniques exist for specific forms of succinctness considered in isolation, we present a general approach based on abstraction refinement to combine off-the-shelf symbolic data structures. In particular, for handling the combination of concurrency and quantitative timing behavior in networks of timed automata, we report on the tool Synthia which combines binary decision diagrams with difference bound matrices. In a comparison with the timed model checker Uppaal and the timed game solver Tiga running on standard benchmarks from the timed model checking and synthesis domain, respectively, the experimental results clearly demonstrate the effectiveness of our new approach.Diese Dissertation liefert eine vereinheitlichende Sicht auf die Kompaktheit von Systemen: die Fähigkeit eines Modellierungsformalismus, das Verhalten eines Systems exponentieller Größe mit polynomieller Syntax zu beschreiben. Der wesentliche theoretische Beitrag ist die Einführung von sequenziellen Schaltkreis-Maschinen als neues universelles Berechnungsmodell, das sich auf den zentralen Aspekt der Kompaktheit konzentriert. Die Dissertation demonstriert, dass viele bekannte Modellierungsformalismen, wie z.B. kommunizierende Zustandsmaschinen, linear-Zeit temporale Logik (LTL) oder gezeitete Automaten eine direkte Verbindung zu diesem Maschinenmodell aufzeigen. Sobald eine (syntaktische) Verbindung hergestellt ist, können viele Komplexitätsschranken für strukturell beschränkte sequenzielle Schaltkreis-Maschinen für einen bestimmten Formalismus einheitlich übernommen werden. Neben einer weitreichenden Vereinheitlichung unabhängiger Forschungsrichtungen können auch zahlreiche Komplexitätsschranken für Analyse-Probleme etabliert werden, deren genaue Komplexität bisher noch nicht bekannt war. Zum Beispiel werden passende untere und obere Schranken des small witness Problems und mehrere Varianten des Synthese-Problems von Controllern mit beschränkter Größe für gezeitete Automaten bewiesen. Die theoretische Analyse deckt Fragmente geringerer Komplexität des partiell informierten Syntheseproblems für gezeitete Automaten auf. Es wird im Besonderen gezeigt, dass das gezeitete Syntheseproblem für diskrete oder Vorlagen-basierte Controller äquivalent zum Model Checking-Problem ist. Basierend auf dieser Einsicht wird ein neuartiger Model Checking-basierter Algorithmus zur effizienten Synthese von gültigen Instantiierungen von Vorlagen entwickelt. Der praktische Beitrag der Dissertation untersucht die Erhaltung von Kompaktheit in Analyse-Algorithmen durch die Benutzung symbolischer Datenstrukturen. Es wird ein allgemeiner Ansatz zur Kombination von Standard-Datenstrukturen vorgestellt, die jeweils bisher nur in Isolation verwendet werden konnten. Insbesondere wird für die Analyse von Netzwerken von gezeiteten Automaten das Tool Synthia vorgestellt, welches binäre Entscheidungs-Diagramme mit Differenzen-Matrizen verbindet. In einem experimentellen Vergleich mit den Tools Uppaal und Tiga wird klar die Effektivität des neuen Ansatzes belegt

Unterstützung von Periodizität in Informationssystemen

In vielen Anwendungsgebieten kommt zunehmend der Wunsch auf, temporale Aspekte systemseitig zu unterstützen. Ein solches Gebiet ist die Unterstützung von Geschäftsprozessen durch prozessorientierte Informationssysteme. Eine große Herausforderung bildet hier die adäquate Handhabung von Geschäftsprozessen, die aus regelmäßig (periodisch) wiederkehrenden elementaren Aktivitäten oder Abfolgen von Aktivitäten bestehen. Die systemseitige Unterstützung solcher periodischen Prozesse bzw. periodischen Spezifikationen (Periodizität) weist Anforderungen auf, die weit über die temporalen Fähigkeiten heutiger Informationssysteme hinausgehen. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines ganzheitlichen Ansatzes zur integrierten Unterstützung von Periodizität in (prozessorientierten) Informationssystemen. Das zentrale Anliegen ist hierbei, Konzepte und Modelle zu entwickeln, die als Basistechnologien zur Unterstützung periodischer Zusammenhänge in unternehmensweiten (prozessorientierten) Informationssystemen (auch bei tausenden von Benutzern und aktiven Prozess-Instanzen), wesentlich sein werden. In dieser Arbeit wird mit dem zyklenorientierten Modell ein logisches (Meta-) Zeitmodell eingeführt, das eine ausdrucksstarke und anwenderorientierte Beschreibung von komplexen periodischen Spezifikationen ermöglicht. Neben einfachen (äquidistanten) periodischen Angaben können auch komplexe (nichtäquidistante) periodische Angaben beschrieben werden. Des Weiteren wird mit dem HSP-Baum eine kompakte und berechenbare Repräsentationsform des (theoretischen) zyklenorientierten Modells vorgestellt. Der HSP-Baum bildet mit seiner präzisen formalen Syntax und Semantik die Grundlage dafür, dass semantisch falsche, inkonsistente oder widersprüchliche Angaben erkannt und korrigiert werden können. Zur Steigerung der temporalen Fähigkeiten heutiger Informationssysteme ist eine operationale Unterstützung unumgänglich, die einen effizienten Umgang mit periodischen Spezifikationen ermöglicht. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Bitletrepräsentation wird ein entsprechender Lösungsansatz vorgestellt. Die Bitletrepräsentation begegnet dem Hauptproblem bestehender Realisierungsverfahren, das zu einem starken Anstieg sowohl des operationalen Aufwands als auch des Repräsentationsumfangs führte. Darüber hinaus kann die Bitletrepräsentation als eine Form der (verlustfreien) Komprimierung von Wiederholungsmustern verstanden werden, was zu äußerst kompakten Repräsentationen periodischer Spezifikationen führen kann. Insgesamt erlauben die entwickelten Lösungen und Algorithmen eine durchgängige Unterstützung periodischer Zusammenhänge. Auf Basis prototypischer Realisierungen können wir ebenfalls zeigen, dass die Skalierbarkeit und Effizienz der Lösungen auch bei großem Datenvolumen gewährleistet wird

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Proceedings of the Caltech Conference on Very Large Scale Integration, held at the California Institute of Technology 22 - 24 January 1979 ; Organized by the Caltech Computer Science Department and the Caltech Industrial Associates Office

[none

Safety and Reliability - Safe Societies in a Changing World

The contributions cover a wide range of methodologies and application areas for safety and reliability that contribute to safe societies in a changing world. These methodologies and applications include: - foundations of risk and reliability assessment and management - mathematical methods in reliability and safety - risk assessment - risk management - system reliability - uncertainty analysis - digitalization and big data - prognostics and system health management - occupational safety - accident and incident modeling - maintenance modeling and applications - simulation for safety and reliability analysis - dynamic risk and barrier management - organizational factors and safety culture - human factors and human reliability - resilience engineering - structural reliability - natural hazards - security - economic analysis in risk managemen