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Lehrstuhl Informatik 7

Forschung
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Lehrstuhl Informatik 7
Forschung

Der Lehrstuhl beschĂ€ftigt sich mit allen Fragen rund um Protokolle und Architekturen zur Kommunikation in vernetzten Systemen. Eine besondere Ausrichtung liegt hierbei in der Bewertung der DienstgĂŒte (Quality-of-Service, QoS) zur Beurteilung der LeistungsfĂ€higkeit, ZuverlĂ€ssigkeit und EchtzeitfĂ€higkeit von Systemen. HierfĂŒr werden Verfahren zur Modellierung, zur Simulation, zur Analyse, zum Test und zur Messung eingesetzt sowie eigene Werkzeuge entwickelt und in folgenden Anwendungsgebieten eingesetzt: Fahrzeugkommunikation, vernetzte Energiesysteme (Smart Grid), industrielle Kommunikation und Sensor-Aktor-Netze. ZusĂ€tzlich werden große Simulationen fĂŒr das Gesundheitssystem durchgefĂŒhrt. Als besondere Vorgehensweise entwickeln wir die Testgetriebene Agile Simulation, bei der UML-basierte Simulation und modellgestĂŒtztes Testen kombiniert werden.

Fahrzeugkommunikation

Der Bereich der Fahrzeugkommunikation kann in die zwei Teilgebiete interne und externe Fahrzeugkommunikation unterteilt werden.

Interne Fahrzeugkommunikation

Die interne Fahrzeugkommunikation befasst sich mit der Vernetzung von SteuergerÀten und deren Peripherie. Zum einen liegt der Fokus auf der Auslegung und Bewertung von Bussystemen im Fahrzeug. Zum anderen befassen wir uns mit der Entwicklung und dem Test von SteuergerÀten einzeln und im Verbund. Viele Themen werden im Rahmen von INI.FAU-Projekten bearbeitet. Folgende ausgewÀhlte Arbeiten beschÀftigen sich mit Themen der internen Fahrzeugkommunikation:

  • Herpel, Thomas; Hielscher, Kai-Steffen Jens; Klehmet, Ulrich; German, Reinhard: Stochastic and Deterministic Performance Evaluation of Automotive CAN Communication, Computer Networks 53 (2009), Elsevier, pp. 1171-1185.
  • Siegl, Sebastian; Caliebe, Philipp: Improving model-based verification of embedded systems by analyzing component dependences. IEEE International Symposium on Industrial Embedded Systems (SIES) (Industrial Embedded Systems (SIES), 2011 6th IEEE International Symposium on, Vasteras), 2011, pp. 51-54.
  • Caliebe, Philipp; Herpel, Thomas; German, Reinhard: Dependency-Based Test Case Selection and Prioritization in Embedded Systems . IEEE Software Testing, Verification and Validation (ICST) (2012 IEEE Fifth International Conference on Software Testing, Verification and Validation (ICST), Montreal, 2012, pp. 731-735.

Externe Fahrzeugkommunikation

Betrachtet man die Kommunikation mehrerer Fahrzeuge untereinander so beschĂ€ftigt man sich mit Fragestellungen der externen Fahrzeugkommunikation. Aktuelle Themen der Car-2-X-Kommunikation beschĂ€ftigen sich mit Protokollen fĂŒr den Austausch von Daten zwischen Fahrzeugen und Infrastruktur am Fahrbahnrand, der Wahrung und Evaluation der PrivatssphĂ€re in Fahrzeugnetzen, sowie Fragestellungen der Sicherheit. Die am Lehrstuhl entwickelte Simulationsumgebung Veins, welche Straßenverkehrssimulation mit Netzwerksimulation koppelt, ist weltweit verbreitet und stellt ein mĂ€chtiges Werkzeug zur realistischen Untersuchung von Fahrzeugnetzen dar. Die Entwicklung und Verbesserung von Simulationsmodellen um die Aussagekraft von Simulationen noch weiter zu erhöhen, ist ein stĂ€ndiger Schwerpunkt am Lehrstuhl.

Im Projekt Schaufenster ElektromobilitÀt in Verbund mit der AUDI AG und der N-ERGIE AG wird mit dieser Simulationsumgebung untersucht, welche Auswirkungen die verstÀrkte geschÀftliche Nutzung von Elektrofahrzeugen entstehen.

Folgende ausgewĂ€hlte Arbeiten geben einen Überblick:

  • Eckhoff, David; Sommer, Christoph; Gansen, Tobias; German, Reinhard; Dressler, Falko: „SlotSwap: Strong and Affordable Location Privacy in Intelligent Transportation Systems,“ IEEE Communications Magazine, vol. 49 (11), pp. 126-133, November 2011.
  • Sommer, Christoph ; German, Reinhard ; Dressler, Falko: Bidirectionally Coupled Network and Road Traffic Simulation for Improved IVC Analysis . In: IEEE Transactions on Mobile Computing 10 (2011), Nr. 1, S. 3-15 [doi>10.1109/TMC.2010.133]
  • Eckhoff, David; Sommer, Christoph; Dressler, Falko: „On the Necessity of Accurate IEEE 802.11p Models for IVC Protocol Simulation,“ Proceedings of 75th IEEE Vehicular Technology Conference (VTC2012-Spring), Yokohama, Japan, May 2012
  • Eckhoff, David; Sommer, Christoph; German, Reinhard; Dressler, Falko: „Cooperative Awareness At Low Vehicle Densities: How Parked Cars Can Help See Through Buildings,“ Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2011), Houston, TX, December 2011.
  • Eckhoff, David; Sofra, Nikoletta; German, Reinhard: “A Performance Study of Cooperative Awareness in ETSI ITS G5 and IEEE WAVE,” WONS 2013 - 10th Annual IEEE/IFIP Conference on Wireless On-Demand Network Systems and Services, Alberta, Canada, Mar. 2013.
Vernetzte Energiesysteme (Smart Grid)

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt des Lehrstuhls ist das Energiesystem der Zukunft. Im Rahmen des Energie Campus NĂŒrnberg (EnCN) entwicken wir Methoden und Werkzeuge zur umfassenden Analyse der zunehmend auf erneuerbaren Energien basierenden Energiewirtschaft.

Im Projekt Hybride Simulation intelligenter Energiesysteme werden die technischen und ökonomischen Auswirkungen der sich wandelnden Energieversorgung untersucht. Dazu werden Methoden wie die diskrete Ereignissimulation (fĂŒr Verbraucher-, Wetter- und Steuermodelle) und System Dynamics Modelle (fĂŒr Energie- und KostenflĂŒsse) in einem Simulationsmodell verbunden.

Das hierbei entstandene Werkzeug i7-AnyEnergy ermöglicht die schnelle Entwicklung solcher hybrider Simulationsmodelle fĂŒr vernetzte intelligente Energiesysteme. Es stellt vorgefertigte Komponenten zur VerfĂŒgung, aus denen komplexere Energiesystemmodelle flexibel zusammengesetzt werden: Aus den Basiskomponenten fĂŒr den Energiebedarf (elektrisch und thermisch), fĂŒr die Energieerzeugung (z.B. Gasheizung, Kraft-WĂ€rme-Kopplung mit Brennstoffzellen), fĂŒr erneuerbare Energien (Photovoltaik), fĂŒr die Energiespeicherung (Batterien, chemische Speicher) sowie fĂŒr die Steuerung können Hausmodelle erstellt und zu VerbĂŒnden mit einem gemeinsamen Wettermodell und einem Kommunikationsnetz gekoppelt werden. In diesem Rahmen ist z.B. ein interaktives Haus-Modell entstanden, das mit einer Photovoltaikanlage zur Stromerzeugung und einem Batteriespeicher ausgestattet ist und den Kostenvergleich mit einem Haus ohne diese Komponenten ermöglicht.

Weiterhin beschĂ€ftigt sich die Forschungsgruppe mit der Energiesystem-Analyse auf Bundesland-Ebene. Durch den Kernenergieausstieg und den starken Ausbau erneuerbarer Energien steht das elektrische Energiesystem in Bayern vor großen Herausforderungen. Im Projekt Energiesystemanalyse fĂŒr den Energieumstieg in Bayern wird mit der Entwicklung eines hybriden Simulationsmodells der Energieumstieg begleitet. Mittels Simulation unterschiedlicher Szenarien werden die Auswirkungen möglicher Handlungsoptionen auf die Energiebilanz, den Energieverbrauch und die Umwelt aufgezeigt. Dazu werden die wichtigsten Komponenten entlang der Energiekette (Erzeugung, Transport, Speicherung und Nutzung) aus technischer und wirtschaftlicher Sicht nachgebildet. Ein Schwerpunkt ist die Modellierung stark fluktuierender Erzeuger, wie Windenergieanlagen oder Photovoltaikanlagen, um das Zusammenspiel mit konventionellen Kraftwerken, Energiespeichern und der Nachfrage zu untersuchen. Das Projekt wird in Kooperation mit den LehrstĂŒhlen fĂŒr Wirtschaftsmathematik und Elektrische Energiesysteme durchgefĂŒhrt.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der Gruppe ist die optimierte BetriebsfĂŒhrung im Haus in AbhĂ€ngigkeit der Marktdynamik und der VerfĂŒgbarkeit von regenerativen Energien. Das Projekt Integrierte Simulation von Energiesystemen und IKT verbindet Energiesysteme mit Informations- und Kommunikationstechnologien zu Smart Grids. Smart Grids ermöglichen den bidirektionalen Austausch von Informationen und elektrischer Energie und damit eine effiziente Integration der dezentralen Stromerzeugung aus Windenergie- und Photovoltaikanlagen in das Stromnetz. DarĂŒber hinaus werden Smart Grids neue Anwendungen erschließen, wie z.B. Lastmanagement, virtuelle Kraftwerke oder Netze mit Selbstorganisations-Mechanismen. Da das Testen neuer Methoden in realen Stromnetzen schwierig ist, nimmt die integrierte Simulation bei der Entwicklung und Bewertung eine SchlĂŒsselrolle ein.

Folgende ausgewĂ€hlte Arbeiten geben einen Überblick:

  • Bazan, Peter; German, Reinhard: Hybrid simulation of renewable energy generation and storage grids, Proc. Winter Simulation Conference, Berlin, 2012.
  • Awad, Abdalkarim; Bazan, Peter, German, Reinhard: Exploiting Day-Ahead Electricity Price for Maximized Profit of Photovoltaic Systems. IEEE International Conference on Smart Grid Technology, Economics and Policies (SG-TEP), NĂŒrnberg, 2012.
  • Pruckner, Marco; German, Reinhard: A Simulation Model to Analyze the Residual Load During the Extension of Highly Fluctuating Renewables in Bavaria, Germany. IEEE Int. Conf. on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, POWERENG-2013, May 2013, Istanbul, Turkey.
Industrielle Kommunikation und Sensornetze

In der Kommunikation von Automatisierungsanlagen werden spezielle Bussysteme und auch Ethernet eingesetzt und es bestehen besondere Anforderungen z.B. an Latenzen beim Versenden von Nachrichten. Neben Simulationsmodellen für drahtlose Kommunikation gemĂ€ĂŸ IEEE 802.15.4 und ZigBee setzen wir Network Calculus ein, um Echtzeitgarantien für leitungsgebundene Kommunikation zuzusichern.

In mobilen Ad-Hoc Netzwerken (MANETs) werden Aufgaben verteilt und ohne einen zentralen Koordinator bearbeitet. Aufgabe des Netzwerkes ist es, Informationen zuverlĂ€ssig von der Daten-Quelle zur Daten-Senke zu ĂŒbertragen und dabei die transportierten Inhalte gegebenenfalls anzupassen. Dabei mĂŒssen gewisse Bedingungen, wie z.B. der Energieverbrauch, berĂŒcksichtigt und eingehalten werden. Um die VerfĂŒgbarkeit zu maximieren, mĂŒssen kontinuierlich Routingtabellen und Nachbarschaftsinformationen aktualisiert werden. Gerade in mobilen batteriebetriebenen Netzwerken ohne feste Teilnehmerinformationen stellt dies eine große Herausforderung dar. MANETs sind meistens fĂŒr 2D Anwendungen mit eingeschrĂ€nkter MobilitĂ€t (d.h. Netzwerkknoten mĂŒssen sich nicht kontinuierlich bewegen) ausgelegt. Wir am Lehrstuhl forschen an komplexen hochgradig mobilen 3D Netzwerken, die sich kontinuierlich in Bewegung/VerĂ€nderung befinden.

Gesundheit

Im Projekt ProHTA des BMBF-Spitzenclusters „Exzellenzzentrum für Medizintechnik“ werden Simulationsmodelle entwickelt, die einerseits in frühem Stadium die Auswirkungen von neuen medizinischen Technologien oder Prozessen abschätzen, andererseits können Veränderungen von Auswirkungen Ideen für neue Innovationen und Prozessoptimierungen aufzeigen (Hypothesenbildung). Dafür werden hybride Modelle mittels des System-Dynamics- und des agentenbasierten Modellierungsparadigmas entwickelt und mit empirisch gesicherten Daten parametriert. Agenten bilden Patienten und medizinische Workflows ab, System-Dynamics-Modelle bilden demographische, ökonomische und epidemiologische Effekte ab. Die medizinischen Technologien und Prozesse werden durch quantitative Kenngrößen beschrieben. Ergebnisse sind gesundheitliche Kenngrößen wie Verbesserung der Lebensqualität oder Reduktion von Neuerkrankungen, die in Bezug zu den Kosten gesetzt werden können.

Testgetriebene Agile Simulation

Bei der testgetriebenen agilen Simulation werden Simulation und modellgestütztes Testen so kombiniert, dass beide voneinander profitieren und insgesamt eine neue Vorgehensweise zum System Engineering mit verbesserter Qualitätssicherung entsteht. Hierbei werden System- und benutzungsorientierte Testmodelle (kurz Benutzungsmodelle) parallel und iterativ entwickelt. Der gesamte Ansatz ist basierend auf der UML2 konzipiert.

Systemmodelle werden durch Klassen-, Kompositionsstruktur-, Zustands- und Aktivitätsdiagramme beschrieben und können gemäß des MARTE-Profils (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems)‏ um quantitative Aspekte (z.B. deterministische oder stochastische Ausführungszeiten, Verzweigungswahrscheinlichkeiten) erweitert werden. Ein solches Systemmodell wird in C++ übersetzt und in dem Netzwerksimulator OMNeT++ zur Ausführung gebracht, Ergebnisse werden an die UML-Ebene zurückgeliefert. Aus Sicht der Simulation besteht der Vorteil darin, dass Simulationsmodelle standardkonform entwickelt werden können, statt dem proprietären Format des Simulationswerkzeugs entsprechen zu müssen. Aus Sicht des System Engineerings besteht der Vorteil darin, dass Systemmodelle früh in einer Simulationsumgebung ausgeführt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dem Systemmodell quantitative Auslegungen mittels Simulation erfolgen können.

Davon unabhĂ€ngig können Benutzungsmodelle zum Testen beschrieben werden. Es werden Zustands- und Sequenzdiagramme verwendet, die die Benutzung des System oder von Teilen des Systems beschreiben. Benutzungsmodelle sind keine Systemmodelle und repräsentieren nur mögliche Eingaben und erwartete Ausgaben. Benutzungsmodelle können um Markow-Profile erweitert werden, um Benutzungshäufigkeiten zu beschreiben. Aus dem Benutzungsmodell können mittels verschiedener Strategien Testfälle generiert werden, die dann ebenfalls auf der Ebene des Simulationswerkzeugs OMNeT++ in Verbindung mit dem Systemmodell zur Ausführung gebracht werden können. Aus Sicht des Testens bietet dies den Vorteil, dass Testfälle bereits früh in einer Simulationsumgebung ausgeführt werden können und dass sowohl das Systemmodell als auch das Benutzungsmodell validiert wird und beide iterativ weiterentwickelt werden können. Aus Sicht der Simulation bietet dies den Vorteil, dass eine systematische Methode bereitgestellt wird, die es erlaubt, Simulationsmodelle zu validieren.

Ein später aus dem Systemmodell generiertes System besitzt eine höhere Qualitätsstufe, die Testfälle auf Simulationsebene können dann ebenfalls zum Testen des Systems verwendet werden. Dieser Ansatz kann in verschiedenen Vorgehensweisen wie z.B. das V-Modell oder agile Prozesse integriert werden.

TAS-Architektur

A. Djanatliev, W. Dulz, R. German and V. Schneider, VeriTAS - A Versatile Modeling Environment for Test-driven Agile Simulation. Proceedings of the 2011 Winter Simulation Conference, December 2011. [Paper] [BibTeX] [Slides]

Gruppen
Dienstgüte (Koordination: Dr.-Ing. K. Hielscher)
Design and Test of Communication Systems (Koordination: Dr.-Ing. W. Dulz)
  Impressum Letzte Änderung: 2014-11-05