Im Teilprojekt B1 werden UML-basierte Entwurfstechniken für selbstoptimierende mechatronische Multiagentensysteme entwickelt. In den ersten beiden Förderperioden wurde ein auf kompositionaler Verifikation und domänenspezifischen Entwurfsmustern beruhender Ansatz entwickelt, der hybride Agenten sowie deren Online-Rekonfiguration unter Berücksichtigung von Sicherheit und Zuverlässigkeit betrachtet. Dieser Ansatz soll nun um Konzepte für flexible Struktur- und Verhaltensanpassungen sowie um ein Re-Engineering von Altsystemen erweitert werden.
Zeitbehaftete GTS und Invarianten
Multiagentensysteme (MAS) mit mechatronischen Komponenten erreichen ihre weitreichende Funktionalität durch die Vernetzung der mechatronischen Komponenten. Die Vernetzung ermöglicht ein koordiniertes Vorgehen der Einzelagenten und damit die Selbstoptimierung durch Anpassung an veränderte Zielvektoren. Voraussetzung für die Koordination ist ein Austausch von Informationen zwischen Agenten mittels nachrichtenbasierter Kommunikation. Die Kombination von softwaretechnischer Interaktion zwischen Agenten einerseits und regelungstechnischer Aktorik und Sensorik andererseits, stellt eine große Herausforderung für die Entwicklung korrekter Software mechatronischer Systeme dar. Dieser Herausforderung stellt sich das Teilprojekt B1.
Adressiert wird diese Herausforderung durch eine Hand in Hand Entwicklung eines Modellierungsformalismus für mechatronische MAS, der MechatronicUML und einer assoziierten Verifikationsmethodik. In der 1. Förderperiode wurden dazu Muster entwickelt, die speziell die Koordination der mechatronischen Komponenten berücksichtigen und eine modellbasierte, kompositionale Verifikation ermöglichen. Die Muster wurden in der 2. Förderperiode zu parametrisierten Koordinationsmustern für eine variable Anzahl von Teilnehmern an einer zentral koordinierten Interaktion ausgebaut. Die Einbeziehung regelungstechnischer, durch Simulation oder Testen abgeleiteter, Ergebnisse des Teilprojektes C3 und der D Teilprojekte, ermöglichte eine Abstraktion des hybriden Systems zu einem rein zeit-kontinuierlichen System und ermöglichte damit eine effiziente Verifikation.
Der Online-Rekonfiguration des Softwaresystems wurde dabei auf zwei Ebenen Rechnung getragen, der Ebene der Verhaltensanpassung eines OCMs und der Strukturanpassung eines MAS. Die Sicherheit ersterer Rekonfiguration wird durch die kompositionale Verifikation erreicht. Für die Strukturanpassungen, die für beliebige Ausgangskonfigurationen als sicher nachgewiesen werden müssen, wurde in der 2. Förderperiode eine neuartige Verifikationstechnik basierend auf dem Nachweis von Strukturinvarianten entwickelt. Der durch die Strukturanpassungen aufgespannte unendliche Zustandsraum wird formal durch ein Erzeugendensystem, genauer Graphtransformationsystem modelliert. So können Strukturinvarianten durch eine induktive Technik nachgewiesen werden.
Beispiel Fehlerpropagierung
In der 2. Förderperiode wurde die Modellierung zusätzlich durch die Entwicklung von Syntheseverfahren unterstützt, die aus Szenariodiagrammen die erwähnten Koordinationsmuster ableiten und aus den in einer Komponente zu verwendenden Koordinationsmustern das Gesamtverhalten einer Komponente berechnen. Die notwendige (Komponenten-)Struktur für die Modellierung von Szenariodiagrammen wurde in enger Kooperation mit dem Teilprojekt B2 aus den domänenübergreifenden Modellen abgeleitet. Zudem berücksichtigt eine komponentenbasierte Gefahrenanalyse inklusive der Betrachtung von Fehlertoleranztechniken das Auftreten und die Vermeidung von Fehlern auf Grund des Ausfalls oder Fehlverhaltens kompletter Komponenten. In Kooperation mit dem Teilprojekt D2 wurden Gefahren für RailCab-Convoys analysiert und Techniken zur Fehlertoleranz angewandt.
Die geplante 3. Förderperiode ist gekennzeichnet durch eine Weiterentwicklung bisheriger Konzepte, insbesondere in Hinblick auf eine erhöhte Flexibilität der Selbstoptimierung sowie die Bearbeitung neuer Fragestellungen, bei denen es um die Einbeziehung von bestehenden Altsystemen in die Entwurfstechnik sowie die Planung des Koordinationsmustereinsatzes durch den kognitiven Operator des OCMs geht.
Übersicht Werkzeugumgebung
Zur Erhöhung der Flexibilität von Verhaltens- und Strukturanpassungen sollen Kombinationen von Koordinationsmustern sowie parametrisierte Koordinationsmuster für eine dezentrale Koordination beliebig vieler Agenten entwickelt werden. Mit den zunehmenden Möglichkeiten zur Selbstoptimierung wird damit aber auch eine Planung des Einsatzes der Koordinationsmuster nötig. Dafür sollen in der 3. Förderperiode zusätzlich Planungsverfahren für die softwaretechnische Agentenkoordination entwickelt werden, inbesondere und im Gegensatz zu den Teilprojekten A1 und A2 unter Berücksichtigung von Sicherheitsanforderungen.
Weiteres, neues Ziel neben der sicheren Planung ist die Entwicklung von Techniken zur Integration von Altsystemen. Die Einbettung von Altsystemen in den bestehenden Modellierungsansatz erfordert ein Reverse Engineering bestehender Systeme mit dem Ziel, Modelle der MechatronicUML aus dem Quellcode zu synthetisieren. Die Gefahrenanalyse soll in der 3. Förderperiode durch die Behandlung von zeitabhängigen Fehlereinflüssen ergänzt werden, um den inhärenten Echtzeiteigenschaften mechatronischer Systeme Rechnung tragen zu können und die Präzision der Analyse zu erhöhen.
Durch die Berufung von Herrn Professor Giese an das HPI in Potsdam steht er nicht mehr als Teilprojektleiter für die 3. Förderperiode zur Verfügung. Mit Frau Professor Wehrheim konnte eine Teilprojektleiterin für die 3. Förderperiode gefunden werden, die mit ihren Arbeiten an Reduktionsverfahren insbesondere viel Expertise für die zunehmend komplexere formale Verifikation, aber auch für Modellierung und Semantik mitbringt.
Teilprojektkoordinator:
Publikationen (seit 6/2005)
Begutachtete Veröffentlichungen
Alhawash, K.; Ceylan, T.; Eckardt, T.; Fazal-baqaie, M.; Greenyer, J.; Heinzemann, C.; Henkler, S.; Ristov, R.; Travkin, D.; Yalcin, C.: The Fujaba Automotive Tool Suite. In: Aßmann, U., Johannes, J., Zündorf, A.: Proceedings of the 6th International Fujaba Days, 18.-19. September 2008, Dresden, Germany, 2008
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Dissertationen
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Hirsch, M.: Modell-basierte Verifikation von vernetzten mechatronischen Systemen. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Universität Paderborn, Universität Paderborn, 2008
Klein, F.: A Model-Driven Approach to Multi-Agent System Design. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Universität Paderborn, Universität Paderborn, 2008
Schilling, D.: Kompositionale Softwareverifikation mechatronischer Systeme. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Universität Paderborn, 2006
