ISBN 9783843924528

978-3-8439-2452-8, Reihe Informatik

Johannes Dell
Modellgestützter Entwurf, Optimierung und Evaluierung Cloud-basierter Cyber-physischer Systeme

150 Seiten, Dissertation Eberhard-Karls-Universität Tübingen (2015), Hardcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Die Nutzung von Cloud Computing Kapazitäten wird in vielfältiger Weise im Konsumentenbereich eingesetzt. Dazu werden die bereitgestellten Kapazitäten durch Synergieeffekte effizient für die Leistungserbringung genutzt. Die Vorteile, die aus dieser Produktivitätssteigerung durch den optimierten Betrieb gewonnen werden, gilt es auf industrielle Anwendungen zu übertragen. Im industriellen Umfeld werden im Rahmen des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 Cyber-physische Systeme erforscht, die die digitale Verarbeitung der Modellwelt (cyber) mit den physischen Prozessen der realen Welt (physisch) verbinden. Cyber-physische Systeme basieren auf der Technologie der Eingebetteten Systeme, die sich durch spezialisierte Verarbeitungskapazitäten auszeichnen. Im Vergleich mit den Eingebetteten Systemen zeichnen sich Cyberphysische Systeme durch einen höheren Vernetzungsgrad und eine Kommunikation über offene Netze und Standards, aus. Dadurch ist ein vielfältiger Einsatz dieser Systeme möglich. Durch die inhärente Nutzung von Cloud Computing Kapazitäten eines Cyber-physischen Systems bildet sich ein Cloud-basiertes Cyber-physisches System (CCPS) aus. Diese Kombination der Technologien ermöglicht eine effiziente Umsetzung von komplexen Anwendungsfällen.

Diese Dissertation befasst sich mit dem Entwicklungsprozess, der Evaluierung und der Optimierung von CCPSen. Ein entsprechender Entwicklungsprozess umfasst einen modellgestützten Entwurf, bei dem eine grundlegende Softwarearchitektur erstellt wird. Auf dieser Basis sind zwei Anwendungsfälle der CCPSe realisiert und mittels Laufzeit-, Energieverbrauchs- und Kostenanalysen evaluiert. Die Ergebnisse der Analysen zeigen die Chancen wie zum Beispiel eine verbesserte Laufzeit, jedoch auch die Grenzen, beispielsweise durch eine mangelnde Echtzeitfähigkeit der Public Cloud, auf. Zudem resultiert aus den Analysen ein Optimierungspotenzial der Netzwerkstrecke. Dabei ist das geeignetste Kommunikationsprotokoll für den Einsatz in einer speziellen Anwendung zu identifizieren. Dies ist aufgrund einer Vielzahl an alternativen Protokollen der Anwendungsschicht des OSI-Basisreferenzmodells herausfordernd. Eine geeignete Optimierungsmethode auf Basis des Analytic Network Processes und einer detaillierten Netzwerkanalyse ist dazu in der vorliegenden Dissertation ausgearbeitet und anhand der beiden Anwendungsfälle durchgeführt. Abschließend werden die Vor- und Nachteile der CCPSe zusammengefasst und diskutiert.