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Methodik zur durchgĂ€ngigen Entwicklung verteilter Systeme mit Echtzeitbedingungen fĂŒr Rundrufnetze
Erweitern eines Gentoo-Linux mit RTAI, LabVIEW und Comedi als digitaler Regler
Der Einsatz von Computern, zur unterstĂŒtzenden DurchfĂŒhrung physikalischer Experimente, gewinnt immer mehr an Bedeutung. Computer, unter anderem auch Personal Computer (kurz PC), können durch ihre heutige LeistungsfĂ€higkeit, immer mehr nĂŒtzliche Funktionen wĂ€hrend eines physikalischen Experimentes ĂŒbernehmen. Diese Arbeit beschĂ€ftigt sich mit dem Vorbereiten eines solchen PC, welcher fĂŒr die Umsetzung einer Regelschaltung fĂŒr ein physikalisches Experiment genutzt werden kann. Dazu werden Gentoo-Linux, RTAI, Scilab/Scicos und Comedi verwendet. Besonderer Schwerpunkt der Arbeit ist dabei die Regelung in Echtzeit auszufĂŒhren. Im Verlauf der Arbeit werden Hardware- sowie Software-AnsprĂŒche und deren Anpassungen besprochen, so dass alle Voraussetzungen des Experiment-PC, zur Umsetzung eines zuverlĂ€ssigen Regelprozesses, erfĂŒllt werden. Aus GrĂŒnden, welche in dieser Arbeit erlĂ€utert werden, wurde der Experiment-PC mit der Open-Source Linux-Distribution namens Gentoo ausgestattet. ZusĂ€tzlich verfĂŒgt der Experiment-PC ĂŒber eine Mess- und Steuerkarte, welche es dem Experiment-PC erlaubt Signale aus dem Experiment aufzunehmen und eine entsprechende Regelung, durch die Ausgabe von Signalen, vorzunehmen
Peer-to-Peer-Technologie in der Automatisierung
Peer-to-Peer (P2P)-Technologie hat sich seit ihrem ursprĂŒnglichen Einsatz fĂŒr das Filesharing weiterentwickelt und Einzug in neue Einsatzgebiete erhalten. Die positiven Eigenschaften der P2P-Technologie sind die hohe FlexibilitĂ€t, Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit. Ob P2P-basierte Anwendungen auch fĂŒr den Einsatz im Umfeld der industriellen Automatisierung sinnvoll sind, wurde in dieser Arbeit untersucht. Das im Laufe dieser Arbeit entstandene Verfahren HaRTKad mit seinem fĂŒr das Umfeld neuen Netzwerkparadigma erfĂŒllt diese Anforderungen, womit es sich in diesem Umfeld einsetzen lĂ€sst
Steuerungskonzept fĂŒr einen dedizierten Brust-CT-Scanner
Background and aims In the early diagnosis of breast cancer, mammography has been the established imaging technique for years. To improve both specificity and sensitivity of early diagnosis of breast cancer, the Institute of Medical Physics, in collaboration with the company CT Imaging GmbH, is developing a dedicated breast CT scanner. Due to the novel components being used for this approach, prior art concepts for controlling clinical CT scanners are not applicable. Instead a new controlling concept is needed, which fulfills the special requirements of breast CT imaging and distinguishes itself from state-of-the-art concepts. Methods To control the breast CT scanner, a hierarchical three layered control architecture, based on the layers used in process automation, was developed. It consists of the layers coordination, control and command layer. Because of real-time requirements, the control units of the control layer were realized with FPGA-based embedded systems (SOPC) including an instantiated NIOSII softcore processor. The performance of different kinds of real-time operating systems was tested on this type of processor with respect to their reaction times. In addition an evaluation was performed using further operating system properties, which are relevant regarding to the development of the breast CT scanner. As means of communication between the three layers, deterministic protocols, âCT_Control_CANâ and âCT_Control_Ethernetâ, were developed by the author. They are based on the second level of the OSI model of CAN and Ethernet technology. For dose-efficient operation of the breast CT scanner, the position tracking system, x ray tube and detector, as well as their dead times, must be synchronized exactly. Therefore a synchronization is presented which, in contrast to the state-of-the art, is integrated in the control units of the control layer and uses the RS485 interface standard. To evaluate the precision of the synchronization, measurements on a synchronization signal of the control units were performed, measuring signal propagation time and itsâ Jitter. The high resolution and high frame rate of the dedicated breast CT scanner lead to high requirements on the systems data transmission rate. In order to transmit the image data from the detector via slipring to a reconstruction server, a specially designed communication protocol âCT_Data_Ethernetâ, based on 10-GBit/s-Ethernet technology, is introduced. It can be realized by using standard components and is adapted to the data format of the breast CT scanners projection data. 10 Gbit/s Ethernet components have a theoretical data throughput of 10 Gbit/s, however numerous papers report lower data transfer rates. Safety-critical aspects are also considered. To avoid injury to humans as well as damage to the system, a safety concept is presented. It includes different levels of escalation for error messaging, an interlock circuit and a safe x-ray release and disabling mechanism. Results and Observations The performance measurements carried out on various real-time operating systems instantiated on the used NIOSII processor all show satisfactory results. Taking this fact into account and balancing further criteria, e.g. certification according relevant standards, FreeRTOS is recommended for use in the breast CT scanner. The integration of the synchronization function in the FPGA based control units is an improvement over the single synchronization units used in the state of the art. The results of the measurements on a synchronization signal sent over RS485 show a signal propagation time of about 85 ns and a jitter of 3 ns. The control unitâs synchronization signals thereby fulfill the system requirement of a jitter of less than 1 ”s and a signal propagation time of less than 10 ”s. For the transfer of the projection data a 10 GBit/s Ethernet transmission, based on standard components, was developed. Measurements performed by the author on such a 10 GBit/s Ethernet transmission, designed with standard components, showed data rates up to 9,9 GBit/s and that the required data transfer rate of the breast CT scanner can be achieved. Practical Conclusions A novel, hierarchical control concept for the dedicated breast CT scanner was developed. The presented control concept fulfills all relevant requirements and is particularly characterized by its high flexibility. As a result of the realization of the control units based on FPGAs and well-known, open interface technology, it is possible to respond quickly to changes in requirements without modifying the whole control concept. Due to the integration of the synchronization functionality in the control units, the imaging components can be provided with high-precision synchronization signals. Thus technologically caused dead times can be minimized and thereby the dose efficiency of the entire scanner increased. Contrary to prior art control concepts, the presented control concept is well adapted and optimized for the components of the breast CT scanner. It can thus make an essential contribution to the success of the scanner in the diagnosis of breast cancer. Due to its high flexibility and modularity it is furthermore easily portable to other medical-technology systems.Hintergrund und Ziele Zur BrustkrebsfrĂŒherkennung ist seit Jahren die Mammografie als Bildgebungsverfahren etabliert. Um die SpezifitĂ€t und SensitivitĂ€t bei der BrustkrebsfrĂŒherkennung zu steigern, entwickelt das Institut fĂŒr medizinische Physik zusammen mit der Firma CT Imaging GmbH einen dedizierten Brust-CT-Scanner. Aufgrund der neuartigen verwendeten Komponenten können aus dem Stand der Technik bekannte Konzepte zur Steuerung von klinischen CT-Scannern nicht verwendet werden. Stattdessen wird ein neues Steuerungskonzept benötigt, das die speziellen Anforderungen der Brust-CT-Bildgebung erfĂŒllt und sich vom Stand der Technik abhebt. Methoden Zur Steuerung des Brust-CT-Scanners wird ein an die Prozessautomatisierung angelehntes, hierarchisches Ebenenmodell vorgestellt, das aus den drei Ebenen Leit-, SteuerÂŹungs- und Kontrollebene besteht. Da harte Echtzeitanforderungen fĂŒr die Steuerungsebene bestehen, wurden als Steuerungseinheiten FPGA-basierte eingebettete Systeme (SOPCs) gewĂ€hlt, auf denen ein NIOSII-Softcore-Prozessor instanziiert ist. Auf diesem Prozessortyp wurden verschiedene Echtzeitbetriebssysteme und deren Leistung anhand ihrer Reaktionszeiten getestet. Ferner erfolgte eine Bewertung mittels weiterer Betriebssystemeigenschaften, die fĂŒr die Entwicklung des Brust-CT-Scanners relevant sind. Zur Kommunikation zwischen den drei Ebenen wurden eigene deterministische Protokolle âCT_Control_CANâ und âCT_Control_Ethernetâ entwickelt, die auf der zweiten Schicht des OSI-Modells der Technologien CAN und Ethernet aufsetzen. FĂŒr den dosiseffizienten Betrieb des Brust-CT-Scanners mĂŒssen Positionserfassung, Röntgenröhre und Detektor, sowie deren Totzeiten exakt miteinander synchronisiert sein. Anders als im Stand der Technik wird hierfĂŒr eine Synchronisation vorgestellt, die in die Steuerungseinheiten der Steuerungsebene integriert ist und den Schnittstellenstandard RS485 nutzt. Um die Genauigkeit der Synchronisation zu bewerten, wurden Messungen zur Signallaufzeit und -fluktuation (Jitter) an einem Synchronisationssignal der Steuerungseinheiten durchgefĂŒhrt. Aufgrund der hohen Auflösung und der hohen Bildrate des dedizierten Brust-CT-Scanners ergeben sich hohe Anforderungen an die DatenĂŒbertragung im System. Zur schnellen Ăbertragung der Bilddaten vom Detektor ĂŒber einen DrehĂŒbertrager auf einen Rekonstruktionsserver wird das eigens hierfĂŒr entwickelte Kommunikationsprotokoll âCT_Data_Ethernetâ auf Basis der 10-GBit/s-Ethernet-Technologie vorgestellt, das mit Standard-Komponenten realisierbar ist und an das Datenformat der Projektionsdaten des Brust-CT-Scanners angepasst ist. 10 GBit/s-Ethernet-Komponenten weisen einen theoretischen Datendurchsatz von 10 GBit/s auf, jedoch zeigen zahlreiche Veröffentlichungen geringere Datenraten. Ebenfalls Betrachtung finden sicherheitskritische Aspekte. Um Verletzungen an Menschen sowie SchĂ€den an Material ausschlieĂen zu können, wird ein Sicherheitskonzept eingefĂŒhrt, das ĂŒber verschiedene Eskalationsstufen zur Meldung von Fehlern, einen Interlockkreis und ein sicheres Auslösen und Abschalten von Röntgenstrahlung verfĂŒgt. Ergebnisse und Beobachtungen Die Leistungsmessungen an verschiedenen Echtzeitbetriebssystemen, die auf dem eingesetzten NIOSII-Prozessor instanziiert waren, zeigen zufriedenstellende Ergebnisse. FĂŒr den Brust-CT-Scanner wird nach AbwĂ€gung weiterer Kriterien, wie z.B. die Zertifizierung nach einschlĂ€gigen Normen, FreeRTOS bzw. SafeRTOS empfohlen. Die Integration der Synchronisationsfunktion in die Steuerungseinheiten auf Basis eines FPGAs stellt eine Verbesserung zu den im Stand der Technik verwendeten einzelnen Synchronisationseinheiten dar. Die Ergebnisse der Messungen an einem Synchroni-sationssignal ĂŒber RS485 zeigen eine Signallaufzeit von ca. 85 ns bei einem Jitter von 3 ns. Damit erfĂŒllen die von den Steuerungseinheiten bereitgestellten Signale die Systemspezifikation eines Jitters kleiner als 1 ”s und einer Signallaufzeit von unter 10 ”s. Zur Ăbertragung der Projektionsdaten wurde eine 10 GBit/s-Ethernet-Ăbertragung mit zugehörigem Protokoll entwickelt, die Standard-Ethernet-Komponenten verwendet. Eigene Messungen an einer solchen aus Standard-Komponenten aufgebauten 10 GBit/s Ăbertragungsstrecke ergaben Datenraten von bis zu 9,9 GBit/s und zeigten, dass die fĂŒr den Brust-CT-Scanner geforderte Datenrate erreicht werden kann. Praktische Schlussfolgerungen Es wurde ein neuartiges, hierarchisches Steuerungskonzept fĂŒr den dedizierten Brust-CT-Scanner entwickelt. Das vorgestellte Steuerungskonzept erfĂŒllt alle wesentlichen Anforderungen und zeichnet sich besonders durch seine hohe FlexibilitĂ€t aus. Durch die Realisierung der Steuerungseinheiten auf Basis von FPGAs und bekannten, offenen Schnittstellentechnologien kann auf Ănderungen von Anforderungen schnell reagiert werden, ohne das gesamte Steuerungskonzept Ă€ndern zu mĂŒssen. Durch die in die Steuerungseinheiten integrierte Synchronisationsfunktion können hochgenaue Synchronisationssignale fĂŒr die Bildgebungskomponenten bereitgestellt werden. Dadurch lassen sich technologisch bedingte Totzeiten minimieren und somit die Dosiseffizienz des gesamten Scanners steigern. Anders als Steuerungskonzepte fĂŒr CT-Scanner, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist das vorgestellte Steuerungskonzept auf die Komponenten des Brust-CT-Scanners angepasst und optimiert. Es kann damit wesentlich zum Erfolg dieses Scanners in der Diagnose von Brustkrebs beitragen, ist aber durch seine hohe FlexibilitĂ€t und ModularitĂ€t auch auf andere Systeme der Medizintechnik ĂŒbertragbar
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 durchgÀngige virtuelle Inbetriebnahme der betrachteten Förderanlagen erreicht
EchtzeitfĂ€hige Simulation steifer Modelle fĂŒr Anwendungen in Fahrzeug-SteuergerĂ€ten
In vorliegender Arbeit wird die Echtzeitsimulation steifer Modelle fĂŒr den Einsatz auf Fahrzeug-
SteuergerÀten untersucht. Am Beispiel eines steifen Modells einer Rohrströmung wird untersucht,
wie durch den Einsatz geeigneter numerischer Verfahren eine echtzeitfÀhige Simulation
des Modells auf einem Fahrzeug-SteuergerÀt erreicht werden kann. Im Rahmen der Lösung der
zu Grunde liegenden Differentialgleichung mittels eines linear-impliziten Euler-Verfahrens werden
fĂŒr die Berechnung einer Approximation der Jacobi-Matrix anstelle eines Differenziationsverfahrens
verschiedene auf das Rohrmodell zugeschnittene Arten der Approximation der EintrÀge
eingesetzt, was eine Verallgemeinerung der von Schiela und Bornemann beschriebenen Sparsing
Methode darstellt. Dies fĂŒhrt zu einer signifikanten Reduktion der fĂŒr die Approximation der
Jacobi-Matrix benötigten Rechenzeit sowie zu einer Vereinfachung des linearen Gleichungssystems
des linear-impliziten Euler-Verfahrens. Insgesamt wird hierdurch ein echtzeitfÀhiger Einsatz
des Rohrmodells erreicht. DarĂŒber hinaus wird untersucht, wie der Rechenaufwand zur Lösung
des dĂŒnn besetzten linearen Gleichungssystems des linear-impliziten Euler-Verfahrens reduziert
werden kann, falls der Ansatz der maĂgeschneiderten Approximationsweise fĂŒr die Jacobi-Matrix
des Rohrmodells nicht eingesetzt wird. Hierzu wird eine Block-GauĂ Elimination eingesetzt, bei
der die mit dem Schur-Komplement assoziierten ZustÀnde beim Rohrmodell dahingehend bestimmt
werden, dass sowohl das reduzierte System als auch das Restsystem eine gĂŒnstige Struktur
besitzen. FĂŒr den potentiellen Einsatz auf zukĂŒnftigen Fahrzeug-SteuergerĂ€ten wird das Parareal
Verfahren untersucht, das eine Parallelisierung der Zeitintegration ermöglicht. Am Beispiel der
Leitanwendung wird eine Wahl der Parameter des Verfahrens diskutiert. Desweiteren wird der
Einsatz eines vereinfachten Modells fĂŒr die grobe Stufe des Parareal Verfahrens beim Rohrmodell
angewandt. Insgesamt wird durch die Arbeit aufgezeigt, dass die Eignung von Simulationen
steifer Modelle fĂŒr den Einsatz bei Echtzeitanwendungen auf Fahrzeug-SteuergerĂ€ten durch die
untersuchten numerischen Verfahren signifikant erhöht werden kann
Eine Ăbersicht ĂŒber Information Retrieval (IR) und NLP-Verfahren zur Klassifikation von Texten
Die vorliegende Arbeit soll einen kurzen Ăberblick ĂŒber gĂ€ngige AnsĂ€tze aus dem Information Retrieval (IR) und der NatĂŒrlichsprachlichen Verarbeitung (NLP) zur Informationsextraktion geben. Diese Untersuchung wurde primĂ€r mit dem Ziel durchgefĂŒhrt, statistische und wissensbasierte Techniken auf ihre Einsetzbarkeit zur Klassifikation von Texten zu evaluieren. Wir unterscheiden zwischen statistischen, regelbasierten, konzeptbasierten, probabilistischen sowie konnektionistischen Verfahren und stellen exemplarisch hierfĂŒr bekannte Systeme vor.
Sowohl Information Retrieval- als auch NLP-Systeme gehen von korrekten ASCII-Texten als Eingabe aus. Diese Voraussetzung gilt jedoch in der Dokumentanalyse nicht. Nach dem optischen Abtasten eines Dokuments, der Strukturanalyse und der nachfolgenden Texterkennung treten Wortalternativen mit Erkennungswahrscheinlichkeiten auf, die bei der partiellen inhaltlichen Analyse, d. h. der Informationsextraktion aus Texten, berĂŒcksichtigt werden mĂŒssen. Deshalb gehen wir am SchluĂ der Arbeit darauf ein, inwieweit die oben genannten Verfahren prinzipiell auf die Dokumentanalyse ĂŒbertragbar sind.
Vorab soll betont werden, daĂ die vorliegende Studie zwei im Rahmen des ALV-Projektes am DFKI entwickelte Prototypen zur inhaltsbasierten Klassifikation von Dokumenten motiviert: einer verwendet statistische Methoden zur automatischen Indexierung; der andere beruht auf einem Regelinterpreter, der die bewerteten Worthypothesen als Evidenzen fĂŒr Konzepte durch ein hierarchisches Netzwerk propagiert
Situationsbasiertes Scheduling von Echtzeit-Tasks in verteilten eingebetteten Systemen
Die Anforderungen an die verfĂŒgbare RechenkapazitĂ€t von SteuergerĂ€ten in der Automotive und Avionik-DomĂ€ne steigen kontinuierlich an. Dieser Anstieg ist auf die steigende Bedeutung von softwarebasierten Funktionen zurĂŒckzufĂŒhren, sowie auf die damit einhergehende steigende Anzahl und KomplexitĂ€t der softwarebasierten Funktionen. In dieser Dissertation wird die BerĂŒcksichtigung der Situation (z. B. die geographische Position oder die Geschwindigkeit) als ein möglicher Ansatz beschrieben, um den steigenden Bedarf an RechenkapazitĂ€t der softwarebasierten Funktionen zu decken. Die benötigte RechenkapazitĂ€t einer softwarebasierten Funktion verĂ€ndert sich in AbhĂ€ngigkeit von der momentanen Situation. Durch die BerĂŒcksichtigung der Situation bei der Verteilung der RechenkapazitĂ€ten entstehen freie RechenkapazitĂ€ten, welche durch komplementĂ€re softwarebasierte Funktion verwendet werden können. Die Zielsetzung dieser Dissertation ist es, eine situationsbasierte Verteilung der RechenkapazitĂ€t auf die softwarebasierten Funktionen des verteilen eingebetteten Systems zu erreichen.:1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung
1.3 Struktur der Arbeit
1.4 Zusammenfassung
2 Grundlagen
2.1 Situationsbasierte Systeme
2.2 Eingebettete verteilte Systeme
2.2.1 Architektur
2.2.2 Echtzeit-Tasks
2.2.3 Echtzeit-Scheduling
2.2.4 Echtzeit-Kommunikation
2.2.5 SteuergerÀte der ZieldomÀnen
2.3 Prozessmigration in verteilten Systemen
2.3.1 Prozesssegmente
2.3.2 Möglichkeiten der Prozessmigration
2.4 Application checkpointing
2.5 Zusammenfassung
3 Stand der Forschung
3.1 Situationsbasiertes Scheduling fĂŒr eingebettete verteilte Systeme
3.1.1 Semi-Statische Systeme
3.1.2 Dynamische Systeme
3.2 Situationsbasiertes Scheduling fĂŒr Multi-Core Systeme
3.2.1 Situationen in HAMS
3.2.2 HAMS Architektur
3.2.3 Wissensdatenbank
3.3 Semi-Statische Netzwerkkonfiguration
3.4 Zusammenfassung
4 Situationsbasiertes Scheduling in verteilten eingebetteten Systemen
4.1 Analyse der Zielsetzung
4.2 Technische Ziele
4.3 SiVES-Sched Konzept
4.3.1 Erweiterter HAMS
4.3.2 Situations-Wissensdatenbank
4.3.3 TLS Master
4.3.4 Task-Migration
4.3.5 TLS Slave
4.3.6 Software Defined Network
4.3.7 TLS-KM
4.4 Zusammenfassung
5 Evaluation
5.1 Konzept der Evaluation
5.2 Evaluationsumgebung
5.2.1 Hardwareumgebung
5.2.2 Softwareumgebung
5.3 Rekonfiguration des verteilten eingebetteten Systems
5.3.1 Evaluation I: Erstellung der SWDB
5.3.2 Evaluation II: DurchfĂŒhrung der Rekonfiguration
5.3.3 Evaluation III: Dauer des kritischen Abschnitts
5.3.4 Evaluation IV: Vermeidung von Informationsverlust
5.4 Zusammenfassung
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Ergebnisse dieser Arbeit
6.1.1 Konzept
6.1.2 Evaluation
6.2 Ausblick
7 Appendix
Literaturverzeichnis
Nomenklatur
Thesen
Eigene Veröffentlichunge