Echtzeitfähige Softwareagenten zur Realisierung cyber-physischer Produktionssysteme

Aktuelle ökonomische Trends, wie die zunehmende Globalisierung und die wachsende Technisierung und Individualisierung vieler Konsumgüter, führen im Hinblick auf die zur Fertigung dieser Güter eingesetzte Automatisierungstechnik zu steigender Komplexität und hohen Flexibilitätsanforderungen. Ein Konzept zur Adressierung dieser Anforderungen ist die Auslegung von automatisierten Anlagen als modulares System flexibel kombinierbarer cyber-physischer Komponenten. Die namensgebende Einheit von mechatronischem Bauteil und lokaler Rechenkapazität ermöglicht Herstellern solcher Komponenten, Softwarebausteine für typische Steuer-, Bedien- oder Diagnoseaufgaben gebrauchsfertig vorzubereiten und so den (Re-)Engineeringaufwand bei der (Um-)Gestaltung des Gesamtsystems deutlich zu reduzieren. Allerdings stellt diese Vision hohe Ansprüche an die zugrundeliegende Softwarearchitektur, die von den derzeit zur Realisierung automatisierter Systeme eingesetzten Technologien nicht vollständig erfüllt werden. Das Paradigma der Agentenorientierung ist ein tragfähiger Ansatz zur Realisierung solcher lose gekoppelten verteilten Systeme und stellt durch leistungsfähige Interaktionsmechanismen sowie die enge Integration von semantischem Wissen zusätzliche Funktionalität in Aussicht: Als Agenten ausgelegte Komponenten könnten auch die logische Vernetzung untereinander während der Inbetriebnahme, nach Umrüstungen oder in Reaktion auf Betriebsstörungen teilweise selbst übernehmen. Dadurch ergeben sich Fähigkeiten wie Selbstkonfiguration und Selbstregeneration, die in der Fachliteratur unter dem Begriff Self-X zusammengefasst werden. Die fehlende Echtzeitfähigkeit, insbesondere in Bezug auf besagte Interaktionsmechanismen, hat jedoch bisher die Einsetzbarkeit von Agentensystemen in der Automatisierung limitiert und die Ausschöpfung der genannten Potentiale behindert. Deshalb wird in dieser Dissertation eine echtzeitfähige Laufzeitumgebung für Softwareagenten entworfen und anschließend die Überarbeitung bestehenden Kommunikationsmechanismen im Hinblick auf ihre Echtzeitfähigkeit vorgenommen. In diesem Kontext wird mit dem Konzept der semantischen Adressierung eine vielfältig einsetzbare Möglichkeit geschaffen, Nachrichten an ausgewählte Gruppen von Agenten mit bestimmten, semantisch beschriebenen Eigenschaften zur verschicken. Die dabei zur Wissensrepräsentation genutzten Taxonomie-Bäume bieten ein für viele Aufgabenstellungen ausreichendes Maß an Ausdrucksstärke und erlauben zudem die Verarbeitung unter harten Echtzeitbedingungen. Abschließend werden die geschaffenen Mechanismen in einem Antwortzeitmodell abgebildet, mit dem das rechtzeitige Reagieren eines Agentensystems auf lokal oder verteilt zu behandelnde Ereignisse überprüft und nachgewiesen werden kann. Damit wird ein Hauptkritikpunkt von Agentensystemen adressiert, was zu einer nachhaltigen Steigerung der Akzeptanz des Agentenparadigmas führen könnte. Während große Teile der erarbeiten Lösung als allgemeingültige Grundlagenforschung verstanden werden können, wird bei der Formulierung von Anforderungen, der Darstellung von Beispielen und der Erläuterung von Entwurfsentscheidungen immer wieder auf automatisierungstechnische Belange Bezug genommen. Außerdem wird am Ende der Arbeit eine kritische Bewertung der Ergebnisse vor dem Hintergrund eines möglichen Einsatzes in zukünftigen Automatisierungssystemen durchgeführt und damit das Gesamtbild abgerundet

Effiziente externe Beobachtung von CPU-Aktivitäten auf SoCs

Die umfassende Beobachtbarkeit von System‐on‐Chips (SoCs) ist eine wichtige Voraussetzung für das effiziente Testen und Debuggen eingebetteter Systeme. Ausgehend von einer Analyse verschiedener Anwendungsfälle ergibt sich ein Katalog von Anforderungen an die Beobachtbarkeit von SoCs. Ein wichtiges Kriterium ist hier die Vollständigkeit der Beobachtung und umfasst die Aktivitäten der CPU (ausgeführte Instruktionen, gelesene und geschriebene Daten, Verhalten des Caches, Ausführungszeiten), des Bussystems und von Umgebungsbedingungen. Weitere Kriterien sind die Echtzeitfähigkeit und die Kontinuität der Beobachtung sowie die gleichzeitige Durchführung verschiedener Beobachtungsaufgaben. Dabei soll es zu einer möglichst geringen Beeinflussung des SoCs kommen. Weitere wichtige Aspekt sind die Kosten der Lösung, die Universalität, die Skalierbarkeit sowie die Latenz der Verfügbarkeit der Beobachtungsergebnisse. Für viele Anwendungen, besonders in sicherheitskritischen Bereichen, muss zudem nachgewiesen werden, dass das Beobachtungsverfahren kein Fehlverhalten des SoCs bewirkt bzw. ein solches maskiert. Eine besondere Herausforderung stellen Multiprozessor‐SoCs (MPSoCs) dar, da hier die Kommunikation zwischen den einzelnen CPUs im Inneren des SoC stattfindet und entsprechend schwierig für einen externen Bobachter sichtbar zu machen ist. Der Stand der Technik zur Beobachtung von SoCs wird im Wesentlichen durch zwei Verfahren dargestellt. Bei der Software‐Instrumentierung wird zum funktionalen Programmcode zusätzlicher Code hinzugefügt, welcher zur Beobachtung des Programms dient. Diese Methode ist einfach und universell anwendbar, erfüllt aber die genannten Kriterien nur sehr eingeschränkt. Nachteilig ist hier der Ressourcenverbrauch im Falle des Verbleibs der Instrumentierung im fertigen Produkt. Wird die Instrumentierung nur temporär dem Code hinzugefügt, muss sichergestellt werden, dass das Beobachtungsergebnis auch für den finalen Code anwendbar ist – was besonders bei ressourcen‐abhängigen Integrationstests nur schwierig erfüllbar ist. Eine alternative Lösung stellt eine spezielle Hardware‐Unterstützung in SoCs („embedded Trace“) dar. Hier werden im SoC Zustandsinformationen (z.B. Taskwechsel, ausgeführte Instruktionen, Datentransfers) gesammelt und mittels Trace‐Nachrichten an den Beobachter übermittelt. Dabei stellt die Bandbreite, die zur Ausgabe der Trace‐Nachrichten vom SoC verfügbar ist, ein entscheidendes Nadelöhr dar ‐ im SoC sind viel mehr den Beobachter interessierende Informationen verfügbar als nach außen transferiert werden können. Damit haben beide dem gegenwärtige Stand der Technik entsprechende Beobachtungsverfahren eine Reihe von Einschränkungen, die sich besonders bei der Vollständigkeit der Beobachtung, der Flexibilität, der Kontinuität und der Unterstützung von MPSoCs zeigen. In dieser Arbeit wird nun ein neuer Ansatz vorgestellt, welcher gegenüber dem Stand der Technik in einigen Bereichen deutliche Verbesserungen bietet. Dabei werden die Trace‐Daten nicht vom zu beobachtenden SoC direkt, sondern aus einer parallel mitlaufenden Emulation gewonnen. Die Bandbreite der für die Synchronisation der Emulation erforderlichen Daten ist in vielen Fällen deutlich geringer als bei der Ausgabe von umfassenden Trace‐Nachrichten mittels „embedded Trace“‐Lösungen. Gleichzeitig ist eine vollständige, äußerst detaillierte Beobachtung der Vorgänge innerhalb des SoC möglich. Das neue Beobachtungsverfahren wurde mittels verschiedener FPGA-basierter Implementierungen evaluiert, hier konnte auch die Anwendbarkeit für MPSoCs gezeigt werden

Konzeption und Realisierung eines neuen Systems zur produktbegleitenden virtuellen Inbetriebnahme komplexer Förderanlagen

Die virtuelle Inbetriebnahme ermöglicht die Vorwegnahme der steuerungstechnischen Inbetriebnahme von komplexen Förderanlagen an einem virtuellen Modell. In dieser Arbeit wird die Konzeption eines neuen Systems zur produktbegleitenden virtuellen Inbetriebnahme geschildert und dessen Umsetzung in Form eines neuen prototypischen Simulationssystems beschrieben. Durch die Umsetzung des entwickelten Konzeptes wurde eine durchgängige virtuelle Inbetriebnahme der betrachteten Förderanlagen erreicht

Compileroptimierung und parallele Code-Generierung für zeitkritische eingebettete Multiprozessorsysteme

Durch den voranschreitenden Trend der Digitalisierung gewinnen intelligente digitale Systeme in vielen Bereichen des täglichen Lebens zunehmend an Bedeutung. Dies betrifft insbesondere auch den Bereich sicherheitskritischer Echtzeitsysteme, für deren sicheren Betrieb die Echtzeitfähigkeit nachgewiesen werden muss. Im Gegensatz zu Anwendungsfeldern ohne diese Anforderung sind effiziente Mehrkernprozessoren in Echtzeitsystemen derzeit noch kaum verbreitet. Der Hauptgrund für die bisherige Dominanz der Einzelkernprozessoren sind fehlende Methoden und Werkzeuge, um parallele Echtzeit-Software für Mehrkernprozessoren zu entwickeln und selbst im ungünstigsten Fall noch eine maximale Ausführungszeit (englisch Worst Case Execution Time, kurz WCET) garantieren zu können. In diesem Kontext besteht eines der wesentlichen Probleme darin, dass sich parallel ablaufende Software-Routinen im Hinblick auf ihre Laufzeit gegenseitig beeinflussen können. In Mehrkernprozessoren geschieht dies vor allem bei gleichzeitigen Zugriffen mehrerer Kerne auf eine gemeinsam genutzte Hardware-Ressource. Geeignete Methoden, um den Einfluss dieser als Interferenz bezeichneten Effekte bei der Software-Entwicklung präzise vorherzusagen und sichere Garantien für die Ausführungszeit abzuleiten, sind Gegenstand aktueller Forschung. Gleiches gilt für Software-Werkzeuge zur automatischen Parallelisierung, die auf harte Echtzeitanwendungen spezialisiert sind. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Anwendbarkeit von Mehrkernprozessoren in Echtzeitsystemen durch Beiträge in den Bereichen der automatischen Software-Parallelisierung, Code-Optimierung und Hardware-Modellierung signifikant zu verbessern. Als Bestandteil einer Werkzeugkette zur automatischen Parallelisierung von sequentieller Echtzeit-Software wird in dieser Arbeit ein Compiler-Werkzeug zur WCET-optimierten parallelen Code-Generierung und ein zugehöriges paralleles Programmiermodell vorgestellt. Hierdurch können -- weitgehend ohne Zutun eines Endanwenders -- gut vorhersagbare parallele Programme erzeugt werden. Durch das Programmiermodell wird dabei sichergestellt, dass die Ausführungszeit, einschließlich der Interferenzeffekte, mit Hilfe einer statischen WCET-Analyse sicher nach oben abgeschätzt werden kann. Als Teil der Code-Generierung stellt die vorliegende Arbeit zwei Optimierungsmethoden vor, die zum einen den Kommunikations- und Synchronisationsaufwand zwischen den Prozessorkernen reduzieren und zum anderen die optimierte Allokation verteilter Speicher in heterogenen Speicherhierarchien ermöglichen. Erstere ist auf des parallele Programmiermodell abgestimmt und erlaubt die optimierte Platzierung von Kommunikations- und Synchronisationsoperationen sowie das Entfernen redundanter Synchronisation auf einer feingranularen Ebene. Die Optimierung der Speicherallokation ergänzt den Ansatz um ein formales Optimierungsmodell zur Zuweisung der Datenfelder eines generierten Programms zu den Speicherbereichen der Zielplattform. Das Modell bezieht dabei sowohl die Kosten für Interferenzeffekte als auch die Speicherhierarchie von Zielplattformen mit verteilten und heterogenen Speichern mit ein. Um die Schritte zur Generierung, Optimierung und Analyse von paralleler Echtzeit-Software weitgehend plattformunabhängig aufbauen zu können, beinhaltet die vorliegende Arbeit außerdem einen Ansatz zur generischen Modellierung von Mehrkernprozessorarchitekturen. Dieser erlaubt es, die Zielplattform mit Hilfe einer entsprechend erweiterten Architekturbeschreibungssprache (ADL) zu beschreiben, wodurch sich die darauf aufbauenden Entwicklungswerkzeuge mit überschaubarem Aufwand auf ein breites Spektrum von Hardware-Plattformen anwenden lassen. Mit dieser neuartigen Kombination erweitert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik um einige wesentliche Bausteine, die die weitgehend automatisierte Parallelisierung von Echtzeit-Software ohne stark einschränkende Annahmen bezüglich der Struktur des Eingabeprogramms ermöglichen. Zu den weiteren Neuerungen dieser Arbeit zählen die Plattformunabhängigkeit bei der WCET-optimierten Software-Parallelisierung und die Berücksichtigung von Interferenzeffekten bei der Speicherallokation in Echtzeitsystemen. Die experimentelle Evaluation der vorgestellten Methoden und deren prototypischer Umsetzung zeigt, dass die WCET aller betrachteten Testanwendungen von der Parallelisierung profitieren kann. Auf einer Plattform mit vier Prozessorkernen konnte z.B. die WCET einer Anwendung aus dem Bereich der Bildverarbeitung durch die Parallelisierung im Vergleich zum sequentiellen Eingabeprogramm um Faktor 3,21 verbessert werden. Auch die Optimierungsansätze für Kommunikation und Speicherallokation führen größtenteils zu einer deutlichen Verbesserung der WCET. So konnten die durch Interferenzen verursachten Kosten im Zuge der Speicherallokation z.B. um bis zu 49% reduziert werden. Insgesamt haben die Ergebnisse dieser Arbeit damit das Potential, die effiziente und kostengünstige Nutzung von Mehrkernprozessoren im Bereich harter Echtzeitsysteme wesentlich voranzutreiben

Skalierbare adaptive System-on-Chip-Architekturen für Inter-Car und Intra-Car Kommunikationsgateways

Die Kommunikation zwischen Verkehrsteilnehmern ist ein elementarer Bestandteil zukünftiger Mobilitätskonzepte. Die Arbeit untersucht, welchen Anforderungen die Kommunikationsknotenpunkte gerecht werden müssen. Das Ergebnis ist eine System-on-Chip Architektur für die fahrzeuginterne und fahrzeugübergreifende Kommunikation. Wesentliche Eigenschaftensind Flexibilität und Skalierbarkeit, die es erlauben, mittels neuartiger Methoden und Tools optimierte Architekturen zu realisieren

Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

In diesem Open-Access-Tagungsband sind die besten Beiträge des 9. Jahreskolloquiums "Kommunikation in der Automation" (KommA 2018) und des 6. Jahreskolloquiums "Bildverarbeitung in der Automation" (BVAu 2018) enthalten. Die Kolloquien fanden am 20. und 21. November 2018 in der SmartFactoryOWL, einer gemeinsamen Einrichtung des Fraunhofer IOSB-INA und der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe statt. Die vorgestellten neuesten Forschungsergebnisse auf den Gebieten der industriellen Kommunikationstechnik und Bildverarbeitung erweitern den aktuellen Stand der Forschung und Technik. Die in den Beiträgen enthaltenen anschaulichen Beispiele aus dem Bereich der Automation setzen die Ergebnisse in den direkten Anwendungsbezug