openCPS: Stochastische Modelle für den Entwurf und die Analyse offener cyber-physischer Systeme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alejandro Masrur
• Fachliche Zuordnung: Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme ; Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314393145

Cyber-physische Systeme (CPS) bestehen aus einem oder mehreren Steuergeräten, die über Regelalgorithmen physische Prozesse überwachen. Dabei nehmen die physischen Prozesse Einfluss auf die Rechenaufgaben und umgekehrt. Im Gegensatz zur traditionellen Regelungstechnik richtet sich das Augenmerk bei CPS auf die Interaktion zwischen Systemdynamik und Rechenaufgaben zur Steigerung von Sicherheit, Qualität und Effizienz. Es existieren viele Anwendungen, die als CPS klassifiziert werden können. Daher sind spezialisierte Entwurfs- und Entwicklungsansätze entstanden. Die große Mehrheit solcher Ansätze fokussiert sich auf geschlossene Systeme, bei denen Systemkomponenten vorab bekannt sind. Es gibt jedoch eine Reihe neuartiger Anwendungen wie intelligente Stromnetze, intelligente Verkehrssysteme, smarte Fabriken, etc., bei denen es sich häufig um offene Systeme handelt. Hierbei sind zur Entwurfszeit nicht alle Systemkomponenten bekannt und daher kann das System nicht vollständig beschrieben werden. Normalerweise basieren offene CPS auf autonomen mobilen Geräten, die ein Ökosystem bilden. Dabei stellt das Zusammenspiel der Geräte innerhalb des Ökosystems Funktionalität dar, die anderweitig durch einzelne Geräte nicht zu erreichen wäre. Aus dem Grund besteht großer Bedarf für Entwurfs- und Entwicklungsmethoden, die sich mit dem Ökosystem als Ganzes befassen. Auf der einen Seite sollen diese Methoden systematische softwaretechnische Verfahren bereitstellen, um die hohe Komplexität und die sogenannte Emergenz zu beherrschen. Auf der anderen Seite sollen sie die Analyse und Validierung von Zeitverhalten und Zuverlässigkeit unterstützen, was insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen mit Zertifizierungsbedarf relevant ist. Herkömmliche Entwurfs- und Entwicklungsmethoden aus dem eingebetteten Bereich sind deterministischer Natur und daher ungeeignet für offene CPS, die eine gewisse Zufälligkeit implizieren (Komponenten können zu beliebigen Zeitpunkten kommen und gehen). Im Gegensatz dazu stellen stochastische Modelle, welche statistische und wahrscheinlichkeitstheoretische Ansätze ermöglichen, eine interessante Lösung dar. Solche Ansätze wurden bereits in der Literatur zur Schätzung der Worst-Case-Rechenzeit (WCET) und zum wahrscheinlichkeitstheoretischen Echtzeitnachweis in fehlerbehafteten Systemen vorgeschlagen. Jedoch beschäftigen sich diese Ansätze mit der stochastischen Modellierung eines kleinen und relativ isolierten Systembestandteils, d.h. Rechenaufgaben auf einem Prozessor. Dagegen ist das Ziel dieses Projektes, eine auf Systemebene gelegene Modellierung stochastischer Natur für den Entwurf und die Analyse von offenen CPS zu erreichen. Dabei werden Ansätze untersucht, die es ermöglichen, Zufälligkeit in die bestehen Rechen- und Kommunikationsparadigmen einzubauen. Somit sollen stochastische Modelle und die darauf basierenden statistischen und wahrscheinlichkeitstheoretischen Methoden erleichtert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen