Adaptive Systems of Systems

Für ein verlässliches, vernetztes Gesamtsystem muss die Flexibilität bereits in der Entwicklung der Systemarchitektur berücksichtigt werden.

Adaptive Ende-zu-Ende-Architekturen

Mit den adaptiven Ende-zu-Ende-Architekturen des Fraunhofer ESK können auch sicherheitskritische Anwendungen verlässlich genutzt werden.

Cloud-Control

Durch die Auslagerung einiger Funktionen in die Cloud lässt sich das Life Cycle Management von Maschinen einfacher realisieren.

Verlässliche vernetzte Systeme – Adaptive Systems of Systems

Beim Zusammenspiel vieler einzelner Systeme in einem vernetzten Gesamtsystem gibt es viele Herausforderungen: neue Akteure wie Geräte, Maschinen, Anwendungen oder Netze kommen ständig hinzu oder fallen weg bzw. aus und die Qualität der Vernetzung schwankt, v.a. in dynamischen Umgebungen. Damit diese komplexen Gesamtsysteme trotz der vielen Unsicherheiten verlässlich funktionieren, muss diese Flexibilität bereits in der Entwicklung der Systemarchitektur berücksichtigt werden. Zum Beispiel muss validiert werden, welche Funktion wo im System ausgeführt werden kann. Hier arbeitet das Fraunhofer ESK z. B. an folgenden Ansätzen:
 

Adaptive Ende-zu-Ende-Architekturen für vernetzte Systeme


Anwendungen müssen durchgängig verlässlich sein, d. h. die Anwendung muss sich anpassen können und gleichzeitig alle relevanten Anforderungen wie Zeitschranken einhalten. Ebenso muss die Basistechnologie flexibel genutzt werden, um auf Unsicherheiten reagieren und die verlässliche Funktionsweise der Anwendung garantieren zu können. Insbesondere für das vernetzte Fahren oder vernetzte Industrie-4.0-Anlagen ist dies von großer Bedeutung. Deswegen arbeiten wir an Verfahren zur Auslegung adaptiver Ende-zu-Ende-Architekturen. Diese können auch für sicherheitskritische Anwendungen verlässlich genutzt werden, u. a. mit Quality of Service (QoS) Monitoring und Prädiktion der Ende-zu-Ende-Drahtlos-Kommunikation.

Methoden zum Quality of Service (QoS) Management


Eine vernetzte Welt basiert auf funktionierender Kommunikation zwischen den einzelnen Akteuren beispielsweise beim vernetzten Fahren. Bislang war die drahtlose Kommunikationsqualität nicht beherrschbar, wodurch man in der funktionalen Absicherung von Anwendungen immer vom Worst Case ausgehen musste. Wir arbeiten an Methoden, die relevante QoS-Parameter vorhersagbar machen, um auf der Basis der Vorhersage auf Netz- oder auf Anwendungsebene vorsorglich reagieren zu können. Damit ermöglichen wir adaptive Lösungsansätze für System- und Anwendungsentwickler auf Basis des derzeitigen Actual Case – selbst in sicherheitskritischen Bereichen. 

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Übergreifende Fail-Operational-Konzepte vernetzter Funktionen


Im Gesamtsystem müssen die einzelnen vernetzten Systeme ihre eigene sicherheitskritische Funktionsfähigkeit jederzeit sicherstellen. Gleichzeitig können sie im Kollektiv auch höherwertige Funktionen ermöglichen. Hierfür ist es wichtig, die Verlässlichkeit der Systeme durch solche Graceful Upgrades nicht zu gefährden. Deshalb arbeiten wir an übergreifenden Funktionen von Fail-Operational-Konzepten, die eine sichere Nutzung externer Dienste, z. B. aus der Edge, Fog oder Cloud, ermöglichen.
 

Laufzeitmodelle und Cloud-Control


Durch den Einzug dienstebasierter Architekturen im Industrie-4.0-Umfeld wird es zunehmend möglich, softwarebasierte Funktionen und Hardware zu trennen. Um z. B. das Life Cycle Management vernetzter und verteilter Systeme einfach zu realisieren und Over-the-Air-Updates durchführen zu können, macht es Sinn, einzelne Funktionen bspw. in die Cloud auszulagern. Allerdings müssen hierfür aktuelle Informationen über Cyber Physical Systems verfügbar gemacht werden. Hierbei werden unterschiedliche Arten von Information benötigt, von Langzeitdaten für Predictive Maintenance und Prozessverbesserung bis hin zu Echtzeit-Daten für Cloud-Control. Letztere müssen über Laufzeitmodelle verfügbar gemacht werden, um somit aufwändigen Wartungsarbeiten zu entgehen. Hier arbeitet das Fraunhofer ESK z. B. an neuen Verfahren für Asset Administration Shells (AAS) und Methoden zur verlässlichen Steuerung von mixed-critical Anwendungen aus der Cloud, die eine zentrale, verteile Laufzeitverwaltung ermöglichen.

Projekte zu verlässlichen vernetzten Systemen

Publikationen

2018 Drabek, Christian; Weiß, Gereon; Bauer, Bernhard:
Resumption of runtime verification monitors: Method, approach and application

2018

Langmann, Reinhard; Stiller, Michael:
Cloud-based industrial control services: The next generation PLC
2018

Oleinichenko, Oleg; Sevilmis, Yagmur; Roscher, Karsten; Jiru, Josef:
Time-controlled neighborhood-driven policy-based network selection algorithm for message dissemination in hybrid vehicular networks

2018

Saad, Ahmad; Staehle, Barbara; Knorr, Rudi:
Predictive medium access control for industrial cognitive radio

2018

Seydel, Dominique; Weiß, Gereon; Pöhn, Daniela; Wessel, Sascha; Wenninger, Franz:
Safety & security testing of cooperative automotive systems

2018

Shekhada, Dhavalkumar; Stiller, Michael; Salvi, Aniket:
A comparison of current web protocols for usage in cloud based automation systems

2017

Aktas, Ismet; Bentkus, Alexander; Bonanati, Florian; Dekorsy, Armin; Dombrowski, Christian; Doubrava, Michael; Golestani, Ali; Hofmann, Frank; Heidrich, Mike; Hiensch, Stefan; Kays, Rüdiger; Meyer, Michael; Müller, Andreas; Brink, Stephan ten; Petreska, Neda; Popovic, Milan; Ruchhaupt, Lutz; Saad, Ahmad; Schotten, Hans; Wöste, Christoph; Wolff, Ingo:
Funktechnologien für Industrie 4.0

2017

Drabek, Christian; Weiß, Gereon:
DANA – Description and Analysis of Networked Applications

2017

Drabek, Christian; Weiß, Gereon; Bauer, Bernhard:
Method for automatic resumption of runtime verification monitors

2017

Fettweis, Gerhard P.; Franchi, Norman; Bittner, Frank; Dekorsy, Armin; Dillinger, Markus; Dyka, Zoya; Einsiedler, Hans J.; Fitzek, Frank; Frotzscher, Andreas; Glänzer, Martin; Hentschel, Tim; Hofmann, Frank; Hoffmann, Marco; Irmer, Ralf; Janßen, Uwe; Jiru, Josef; Jungnickel, Volker; Knorr, Rudi; Kraemer, Rolf; Kornbichler, Andreas; Kückelhaus, Markus; Langendörfer, Peter; Menges, Georg; Merz, Peter; Meyer, Michael; Mühleisen, Maciej; Müller, Andreas; Oswald, Erik; Ruchhaupt, Lutz; Redana, Simone; Reinartz, Michael; Richter, Klaus; Riedl, Johannes; Schotten, Hans; Schulz, Dirk; Schupke, Dominic; Thümmler, Christoph; Timm-Giel, Andreas; Wiebus, Christian; Willmann, Sarah; Zimmermann, Gerd:
Resiliente Netze mit Funkzugang

2017

Franze, Juliane; Seydel, Dominique; Weiß, Gereon; Haspel, Ulrich:
Evaluation of traffic control systems as ITS infrastructure for automated driving

2017

Petreska, Neda:
End-to-End Performance Analysis for Industrial IEEE 802.15.4e-based Networks
2017 Roscher, Karsten; Nitsche, Thomas; Knorr, Rudi:
Know thy neighbor - a data-driven approach to neighborhood estimation in VANETs

2016

Petreska, Neda; Al-Zubaidy, Hussein; Staehle, Barbara; Knorr, Rudi; Gross, James:
Statistical Delay Bound for WirelessHART Networks
2016 Roscher, Karsten; Jiru, Josef; Knorr, Rudi:
Low-Delay Forwarding with Multiple Candidates for VANETs Using Multi-Criteria Decision Making
2016 Roscher, Karsten; Maierbacher, Gerhard:
Reliable message forwarding in VANETs for delay-sensitive applications

2016

Saad, Ahmad; Mansour, Nour; Friedrich, Andreas; Youssef, Ziad; Dahlhaus, Dirk; Sharma, Mridula; Al Halaseh, Rana; Majeed, Erfan; Kohrt, Klaus D.; Bruck, Guido; Knorr, Rudi; Jung, Peter:
Cognitive Radio Prototype for Industrial Applications

2016

Saad, Ahmad; Staehle, Barbara; Knorr, Rudi:
Spectrum Prediction Using Hidden Markov Models for Industrial Cognitive Radio
2015 Jiru, Josef; Mammu, Aboobeker Sidhik Koyamparambil; Roscher, Karsten:
Adaptive decision algorithms for data aggregation in VANETs with defined channel load limits

2015

Petreska, Neda; Al-Zubaidy, Hussein; Knorr, Rudi; Gross, James:
On the recursive nature of end-to-end delay bound for heterogeneous wireless networks

2015

Saad, Ahmad; Staehle, Barbara; Chen, Yun:
On interference detection using higher-order statistics

2014

Petreska, Neda; Al-Zubaidy, Hussein; Gross, James:
Power minimization for industrial wireless networks under statistical delay constraints
2014

Roscher, Karsten; Bittl, Sebastian; Gonzalez, Arturo; Myrtus, Matthias; Jiru, Josef:
ezCar2X. Rapid-Prototyping of Communication Technologies and Cooperative ITS Applications on Real Targets and Inside Simulation Environments

2014

Saad, Ahmad; Staehle, Barbara; Auer, Alexander:
Real-time quality surveillance for industrial radio environments

2014

Saad, Ahmad; Staehle, Barbara; Chen, Yun:
On the effectiveness of medium access with predictive collision avoidance

2013

Petreska, Neda:
Towards new routing solutions for wireless industrial networks
2013 Steiner, Torsten; Roscher, Karsten; Jiru, Josef:
Cooperative glare reduction using V2V radio technology