Der Schwerpunkt unserer Arbeit liegt in der Dienstgüte (Quality-of-Service, QoS) vernetzter Systeme. Dienstgüte umfasst hierbei traditionelle Leistungsmaße (wie z.B. Durchsatz, Latenz, Verlustrate in einem Netzwerk) und Zuverlässigkeit (wie z.B. Verfügbarkeit eines Serversystems), aber auch Echtzeit, Funktions- und Informationssicherheit, Energie und ökonomische Aspekte. Hierfür werden Verfahren zur Modellierung, zur Simulation, zur Analyse, zum Test und zur Messung eingesetzt sowie eigene Werkzeuge entwickelt. Als besondere Vorgehensweise entwickeln wir die Testgetriebene Agile Simulation, bei der UML-basierte Simulation und modellgestütztes Testen kombiniert werden. Aktuell befassen wir uns mit folgenden Anwendungsgebieten: Fahrzeugkommunikation, industrielle Kommunikation, Sensor-Aktor-Netze, Audio-Kommunikation sowie Energie und Gesundheit.

In Fahrzeugen kommunizieren zahlreiche vernetzte Steuergerüte, zur Auslegung werden analytische Modelle und Simulationsmodelle benötigt. Hierbei befassen wir uns auch mit vernetzten Prüfständen und der Durchführung von Tests zur Qualitätssicherung. Viele dieser Arbeiten laufen im Rahmen von INI.FAU. Es wurde auch eine Simulator-Umgebung geschaffen, die Straßenverkehrs-Simulation mit Netzwerksimulation koppelt und so die Untersuchung von Car-2-X-Kommunikation ermöglicht.

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 gemäß IEEE 802.15.4 und ZigBee setzen wir Network Calculus ein, um Echtzeitgarantien für leitungsgebundene Kommunikation zuzusichern.

Im Rahmen des Energie Campus Nürnberg (EnCN) befassen wir uns mit dem Energiesystem der Zukunft. Erneuerbare Energieformen schwanken stark, der Unterschied zwischen Angebot und Nachfrage kann neben einer Regelung von konventionellen Kraftwerken durch Energiespeicherung und durch die Verschiebung von Lastspitzen bei Verbrauchern ausgeglichen werden. Der Ausbau von erneuerbaren Energieformen führt auch dazu, dass statt weniger großer Kraftwerke viele kleinere dezentrale Einheiten z.B. in Häusern und Kommunen zusammenwirken. Für das Gesamtsystem von zusammenwachsenden elektrischen Netzen und Kommunikationsnetzen, von unterschiedlichen Speichermöglichkeiten und der weiteren effizienten Nutzung fossiler Brennstoffe werden Simulationsmodelle entwickelt: auf der unteren Ebene werden Mikrogrids nachgebildet, Verbünde von Erzeugern und Verbrauchern, die nach Möglichkeit energieautark sind und bei Bedarf eine Einspeisung von außen erhalten. Es ist auch beabsichtigt, das gesamte Energiesystem Bayerns und Deutschlands geeignet abzubilden und Auswirkungen unterschiedlicher Entscheidungen z.B. auf die Kosten zu ermitteln.

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.

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 Ausüührungszeiten, 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 unabhängig 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. Die Vorgehensweise kann in verschiedenen Vorgehensweisen wie z.B. das V-Modell oder agile Prozesse integriert werden. Teile dieses Konzepts wurden in dem EU-Projekt MaTeLo, dem BMBF-Verbundprojekt Aletheia (in Kooperation mit Fraunhofer IIS) und dem ZIM-Verbundprojekt GetTeMo (in Kooperation mit der sepp.med GmbH) entwickelt und im Rahmen von Eclipse als Werkzeug realisiert, gegenwärtig findet ein Redesign des Werkzeugs statt.

Dienstgüte (Koordination: Dr.-Ing. K. Hielscher) Design and Test of Communication Systems (Koordination: Dr.-Ing. W. Dulz)