SFB876 – Ressourceneffiziente und verteilte Plattformen zur integrativen Datenanalyse

Das langfristige Ziel des Projekts ist daher die Entwicklung einer Methodik, welche es Entwicklern eingebetteter Systemplattformen unter vertretbarem Aufwand ermöglicht, sowohl den Ressourcenverbrauch einer Systemplattform inklusive aller Hardware- und Systemsoftwarekomponenten zu erfassen, als auch die dazugehörigen Ressourcenmodelle zu entwickeln und diese dem Anwendungsentwickler beziehungsweise der Anwendung in geeigneter Form zur Verfügung zu stellen.

Die quantitative Charakterisierung des Ressourcenbedarfs eingebetteter Systemplattformen ist eine wichtige Voraussetzung für den Entwurf und die effiziente Ausführung von Anwendungen zur Informationsgewinnung unter Ressourcenbeschränkungen. Nur durch entsprechende Ressourcenmodelle, welche Einflussmöglichkeiten sowohl zum Entwurfszeitpunkt durch den Entwickler, als auch zur Laufzeit durch die Anwendung unter Beachtung von Kontextabhängigkeiten im laufenden Betrieb berücksichtigen, können verteilte Analyseverfahren ressourcengewahr entworfen werden, beziehungsweise agieren. Das langfristige Ziel des Projekts ist daher die Entwicklung einer Methodik, welche es Entwicklern eingebetteter Systemplattformen unter vertretbarem Aufwand ermöglicht, sowohl den Ressourcenverbrauch einer Systemplattform inklusive aller Hardware- und Systemsoftwarekomponenten zu erfassen, als auch die dazugehörigen Ressourcenmodelle zu entwickeln und diese dem Anwendungsentwickler beziehungsweise der Anwendung in geeigneter Form zur Verfügung zu stellen.

 

Herausforderungen bestehen dabei in der Komplexität und Variantenvielfalt selbst kleiner eingebetteter Systeme, aber auch im mangelnden Verständnis einer adäquaten Modellierung aller Zusammenhänge.
In der ersten Projektphase sind, basierend auf komplexer und teils neuartiger Messtechnik, deterministische und stochastische Ressourcenmodelle für die Hardware von Sensorknoten und Mobilfunkendgeräten mit Long Term Evolution (LTE), sowie erste Modelle zu einem eingebetteten Betriebssystem inkl. TCP/IPNetzwerkprotokollstapel entstanden. Diese Ressourcenmodelle wurden mit Hilfe eines neu entwickelten Simulatorframeworks validiert und in Fallstudien zur Optimierung von Ressourcenverbräuchen auf Anwendungsebene genutzt.
In der zweiten Phase werden diese Arbeiten konsequent fortgeführt und erweitert. Wichtige neue Forschungsfragen in diesem Kontext sind die Automatisierung der Erstellung von Ressourcenmodellen, die Einbeziehung der Produktion von Ressourcen, z.B. durch Energy Harvesting, sowie die stärkere Berücksichtigung von Realzeitanforderungen. Zudem soll die Betrachtungsebene von der Einzelplattform auf komplexere verteilte, hochgradig vernetzte Gesamtsysteme angehoben werden. Hierbei werden die Wechselwirkungen zwischen Netz- und Endgeräteressourcen im Indoor- und Outdoorbereich, sowie die aktive Steuerung des Systemkontexts intensiv untersucht. Neben der Bereitstellung von Systemplattformen und Methoden für andere SFB-Teilprojekte (z.B. A1, A6, B2 und B4) befasst sich A4 mit den Herausforderungen bei der Modellierung komplexer, verteilter Systeme der Logistik. Durch die konsequente Modellierung ressourcenbeschränkter Plattformen, deren Spektrum von intelligenten Briefmarken bis zu großen Transportcontainern reicht, soll eine Verbesserung logistischer Planungsmethoden erreicht werden.

 

Einbindung eines komplexen Anwendungskontextes am Beispiel aktueller Forschung in der Logistik:

Bislang wird die Leistungsfähigkeit von Plattformen für eingebettete Systeme üblicherweise durch Benchmarks bewertet. Dies hat einerseits den Vorteil, dass die Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Systemen objektiv bewertet werden kann, andererseits den Nachteil, dass der Anwendungsbezug verloren gehen kann, solange er nicht in den einzelnen Benchmarktests verankert ist. In hinreichend komplexen, realen Anwendungskontexten ist eine Bewertung mit bisherigen Methoden der Informatik nur begrenzt möglich [179]. Mit der zunehmenden Bedeutung von CPS, in denen vernetzte, eingebettete Systeme die Steuerung physischer Entitäten übernehmen, bedarf es neuartiger Bewertungsmethoden, welche die starke Verknüpfung von Rechnerelementen und physischem Kontext berücksichtigen.

 

Aktuelle Forschungen im Bereich der Logistik untersuchen die massive Verwendung von solchen verteilten, eingebetteten Systemen als neue Grundlage moderner Produktions-, Transport- und Distributionsstrategien [A4/197, 174]. Diese Bemühungen werden häufig unter dem Schlagwort Industrie 4.0 zusammengefasst [182, 185]. Auf Basis des Konzepts eines CPS übernimmt ein mit dem Transportgut eng verknüpftes, eingebettetes System autark die steuernde Rolle und nutzt Transportdienste sowie weitere Dienste von Förderanlagen entlang der Supply Chain. Mit dem intelligenten Behälter (inBin) wurde ein solches System vom Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen entwickelt (vgl. [A4/194], siehe Abbildung 3.1). Dabei spielen neben dem Umgebungskontext auch nichtfunktionale Anforderungen, wie Energieeffienz, eine wichtige Rolle [A4/196]

 

In aktuellen Forschungsarbeiten dazu wird der Begriff der Leistungsverfügbarkeit verwendet, welcher, unabhängig von der technischen Verfügbarkeit, die Einhaltung weicher Echtzeitanforderungen bezüglich der geforderten Systemleistung beschreibt [177, A4/195]. Für solche Systeme existiert derzeit keine Embedded-Plattform, die über geeignete Modelle oder Validierungstrategien verfügt. Dies hat zur Folge, dass auch keine geeigneten Planungsmethodiken für derartige komplexe, logistische Systeme existieren. Die gemeinsamen Arbeiten in diesem Teilprojekt leisten, neben der Validierung der Plattform in komplexen Anwendungskontexten, einen Forschungsbeitrag für die Planung von Materialflusssystemen, die sich anwendungsunabhängig auf die effiziente Verwaltung und Bewegung physischer Ressourcen und Objekte beziehen. Dies erlaubt die Übertragbarkeit aus der Logistik heraus auf andere Anwendungsgebiete.

 

Versuchsfeld für ressourcenbeschränkte und verteilte eingebettete Systeme: Aktuell entsteht ein Aufbau eines Versuchsfelds für ressourcenbeschränkte, intelligente Warenträger. Dieses Versuchsfeld soll in die bestehende 1.020m2 große Versuchshalle für zellulare Fördertechnik (ZFT) am Fraunhofer IML integriert werden (siehe Abbildung 3.1), dessen geschäftsführender Institutsleiter Herr ten Hompel ist. Der Aufbau wird mit Hilfe einer Anschubfinanzierung durch den neu hinzukommenden Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen durchgeführt. Es werden 350 Hardwareplattformen (z.T. mit Display) entwickelt und gefertigt, die als interaktive Versuchsplattformen in einen realistischen Logistikkontext platziert werden und das Vermessen und Kartographieren der Umgebungsbedingungen für Energy Harvesting ermöglichen. Zudem können Versuche zur Skalierbarkeit der Funkkommunikation durchgeführt werden. Alle Hardwareknoten werden hierbei mittels Software gesteuert, die auf den im TP A4 erarbeiteten Konzepten beruht. Eine Besonderheit dieses Testbeds ist die Möglichkeit, Sensorknoten über die vorhandene zellulare Fördertechnik gezielt im Raum zu bewegen. Im Gegensatz zu existierenden Wireless Sensor Network Testbeds, wie sie in [163] beschrieben werden, soll das neue Testbed Energy-Harvesting-Methoden im realitätsnahen, industriellen Innenbereich thematisch untersuchen. Existierende logistische Testbeds wie der METRO real,- Future Store oder das SAP Future Retail Center legen ihren Fokus eher auf den Konsumentenbereich im Handel.

 

Ansprechpartner: Mojtaba MasoudiNejad, M.Sc., Aswin Ramachandran, M.Sc.Dipl.-Inform. Moritz RoidlDipl.-Inform. Jan Emmerich
Website: SFB876 – Ressourceneffiziente und verteilte Plattformen zur integrativen Datenanalyse