In enger Wechselwirkung mit dem grundlagenorientierten Projektbereich A, dem entwurfsorientierten Bereich B und den Anwendungsszenarien im Bereich D befasst sich der Bereich C anhand dreier zentraler Fragestellungen mit der Realisierung s.o. mechatronischer Systeme. Durch die Konzentration auf die Bereiche „Rekonfigurierbare Hardware“, „Selbstoptimierende Echtzeitbetriebs- und Kommunikationssysteme“ sowie „Agentenbasierte Regelung“ ergeben sich vielversprechende und innovative Realisierungsansätze.

Aufbauend auf die in den ersten zwei Förderperioden analysierten S.O.-Mechanismen, soll ein ganzheitlicher Realisierungsansatz zur Selbstoptimierung erarbeitet werden. Dieser soll durchgängig von der rekonfigurierbaren informationsverarbeitenden Plattform (TP C1) über das unterstützende selbstoptimierende Echtzeitbetriebs- und Kommunikationssystem (TP C2) bis hin zur Integrationsplattform und den darauf implementierten agentenbasierten Reglerstrukturen (TP C3) reichen. Als Hardware-Software-Infrastruktur dienen die im Bereich C stetig weiterentwickelten Komponenten RAPTOR-X641 (Hardwareplattform), DREAMS2 (RCOS3/RTOS4) und OCM5 (selbstoptimierende Regelungen).

Im Teilprojekt C1 wird die Hardware-Rekonfiguration nach wie vor als besonders vielversprechende Realisierungstechnik für selbstoptimierende mechatronische Systeme betrachtet. Rekonfigurierung z.B. auf der Basis von „Field Programmable Gate Arrays“ (FPGA) und davon abgeleiteten Strukturen eröffnet völlig neue Potentiale eines Kosten/Nutzen-Verhältnisses und der Flexibilität bezüglich Selbstoptimierung, indem die traditionell statische Aufteilung in Hardware und Software (klassisches HW/SW-Codesign) durch eine dynamische Aufteilung zur Laufzeit ersetzt wird. Darüber hinaus erlaubt der Einsatz rekonfigurierbarer Hardware skalierbare Systemkonzepte, die auch in zukünftigen Technologien der Mikroelektronik effizient umgesetzt werden können. In den ersten zwei Förderperioden wurde eine rekonfigurierbare Systemumgebung entwickelt, die die Potentiale aktuell zur Verfügung stehender Technologien bestmöglich nutzt. Es ist eine Werkzeugkette für den Entwurf und die Analyse s.o. Hardwaresysteme entstanden, die im SFB breite Anwendung findet. Mit Hilfe abstrakter Modelle konnten zudem neue Methoden zur Platzierung und Defragmentierung von Hardwaremodulen in heterogenen Systemen entwickelt und bewertet werden. In der 3. Antragsphase sollen die Arbeiten auf verteilte s.o. Systeme ausgedehnt werden. Ziel ist die Realisierung einer robusten Informationsverarbeitung auf Basis verteilter, dynamisch rekonfigurierbarer Komponenten. Dabei sollen neben feingranular rekonfigurierbaren FPGAs schwerpunktmäßig grobgranulare, prozessor-basierte Architekturen betrachtet werden. Ziel ist es, neue ressourceneffiziente selbstoptimierende Architekturen zu finden. Unser Ansatz basiert auf On-Chip-Parallelprozessoren, die im Betrieb durch Rekonfiguration an sich ändernde Umgebungsanforderungen adaptiert werden können. Die neuen, dynamisch rekonfigurierbaren Multiprozessorarchitekturen sollen prototypisch umgesetzt und in Bezug auf ihre Ressourceneffizienz bewertet werden.

Teilprojekt C2: Wählt man eine Realisierung selbstoptimierender mechatronischer Systeme auf verteilten Mikrocontrollern, so ist eine Verwaltungsschicht in Form eines verteilten Echtzeitbetriebssystem (RTOS) in Verbindung mit einem Echtzeitkommunikationssystem (RCOS) erforderlich. Handelt es sich hierbei bereits in konventionellen Systemen um hochkomplexe Objekte, so wird die Problemstellung im Falle s.o. Systeme nochmals erheblich herausfordernder, da nun im Gegensatz zum üblichen Vorgehen im RTOS-Umfeld die Systemparameter nicht a priori festliegen. Dieser Herausforderung stellt sich das TP C2. Der innovative Ansatz betrachtet ein RTOS/RCOS selbst als Multiagentensystem, das dem Prinzip der Selbstoptimierung unterliegt. Dabei dient die S.O. in diesem Fall dazu, sich den dynamisch wechselnden Anforderungen der Anwendungssoftware flexibel im Sinne einer ressourcenminimierenden und effizienzoptimierenden Weise anzupassen. Dabei werden in enger Kooperation mit TP C1 spezielle Dienste in rekonfigurierbare Hardware ausgelagert. In der 2. Förderperiode wurden schwerpunktmäßig Fragen verteilter, kommunikationszentrierter s.o. Systeme bearbeitet. Ein wesentlicher Beitrag zur Sicherstellung einer hohen Zuverlässigkeit ist der verfolgte Ansatz, eine spezielle Ausprägung formaler Verifikation als RTOS-Dienst in Form eines Online-Akzeptanztests anzubieten. In der nächsten Förderperiode soll eine s.o. Virtualisierungsplattform für eingebettete selbstoptimierende mechatronische Systeme entwickelt werden. Hierdurch sollen Sicherheitseigenschaften sowie die Skalierbarkeit von selbstoptimierenden Systemen weiter erhöht werden. Die Virtualisierungsschicht soll zusätzlich einen Überwachungsdienst ermöglichen, der aus Techniken der Selbstdiagnose und Selbstheilung bestehen soll sowie den in der 2. Periode entwickelten Online-Akzeptanztest ausführt. Dieser modellbasierte Verifikationsansatz wird in der nächsten Phase weiter verbessert und nicht nur diskrete, sondern auch hybride Modelle unterstützen. Die Kommunikationsinfrastruktur soll um leistungsfähige drahtlose Komponenten erweitert werden. Im Vordergrund steht die selbstoptimierende Anpassung an die wechselnden Anforderungen s.o. Anwendungen.

Teilprojekt C3: Fasst man selbstoptimierende mechatronische Systeme als eine konsequente Weiterentwicklung adaptiver Regler auf, kommt der Entwicklung innovativer Konzepte für den Reglerentwurf eine zentrale Rolle zu. Hier wird im TP C3 ein neuer Weg eingeschlagen, indem symbiotisch verhaltensbasierte und Planungsverfahren mit der aus der Regelungstechnik kommenden Modellbasierung sowie mit mathematischen Optimierungsmethoden verzahnt werden. Dadurch soll ein ungestörter Betrieb des technischen Systems, insbesondere im Bereich sicherheitskritischer Einsatzgebiete auf der Basis regelungstechnischer Verfahren garantiert werden. Gleichzeitig ermöglicht die verhaltensbasierte Programmierung kombiniert mit modellbasierter Optimierung ein optimales Verhalten und flexible Anpassung an schwer vorhersehbare Umweltsituationen. Auf der Grundlage der bisher erarbeiteten Konzepte werden in der 3. Förderperiode Methoden zur hierarchischen Optimierung, Modellierung und Entscheidungsfindung weiterentwickelt und eng miteinander verzahnt. Zur Steigerung von Sicherheit und Zuverlässigkeit liegt ein weiterer Schwerpunkt auf der Berücksichtigung von Ausfällen und Unsicherheiten im Selbstoptimierungsprozess. Da sich das OCM in den Arbeiten des TP C3 als das zentrale Strukturelement für hierarchische selbstoptimierende Systeme erwiesen hat, trägt das TP in Zukunft den Titel „OCM – Architektur für selbstoptimierende Regelungen“.

Der Projektbereich C ist, seiner Aufgabe und Konzeption folgend, vielfältig mit den anderen Projektbereichen verzahnt. Die in den TP A1 und A2 erforschten Grundlagen der Selbstoptimierung finden im gesamten Bereich C Anwendung, insbesondere im TP C3. Man erkennt hier auch eine Parallele zwischen den Grundlagenansätzen, wie sie in TP A1 und A2 verfolgt werden, und mit den in TP C3 symbiotisch verfolgten Ansätzen der modell- und verhaltensorientierten Optimierung. Die Entwurfsmethoden aus dem Projektbereich B werden im Projektbereich C in Richtung Konkretisierung/Realisierung verfeinert. So liefern die TP C1 und C2 die erforderlichen Zielplattformen, die eine Umsetzung der Konzepte aus dem Projektbereich B erst möglich machen, während das TP C3 die von TP B1 bewusst ausgeklammerte Mikroarchitektur agentenbasierter Reglerimplementierung abdeckt.

Der Projektbereich C bietet die HW-SW-Plattform, die zur Realisierung der Anwendungsprojekte aus dem Projektbereich D erforderlich ist. Diese Plattform wird in Form von Diensten angeboten, auf deren Basis die Anwendungssysteme erstellt werden, bzw. als Entwurfstechnik, mit deren Hilfe die zentrale Aufgabe des Entwurfs spezieller selbstoptimierender Komponenten (OCM) gelöst werden kann.