CoCPN: Cooperative Cyber Physical Networking

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe D. Hanebeck; Professorin Dr. Martina Zitterbart
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315021670

Ziel des beantragten Projekts CoCPN ist die Untersuchung und Entwicklung eines neuen kooperativen Ansatzes für den integrierten Betrieb eines Regelungssystems und eines Kommunikationssystems. Die Vision ist, dass beide, das Regelungssystem und das Kommunikationssystem, adaptiv auf Veränderungen der gegenwärtigen Situation reagieren. Der so genannte CoCPN-Translator verbindet beide Systeme und übersetzt Bedürfnisse der Regelung in Kommunikationsanforderungen und umgekehrt.Von Regelungsseite, nutzen wir einen dezentralen Ansatz, um lokal approximativ ein globales Optimierungsproblem zu lösen, nämlich alle durch das Kommunikationssystem verbundenen Regelschleifen gemeinsam zu optimieren. Wir verwenden einen Event-based Ansatz, um den Kommunikationsbedarf anzupassen. Die nichtdeterministischen Eigenschaften des Kommunikationssystems werden mittels eines Sequence-based Ansatzes berücksichtig. Wir betrachten das Gesamtsystem sowohl unter der Annahme von zeitinvarianten, als auch zeitvarianten Kommunikationseigenschaften. Das durch ersteres entstehende Problem wird gelöst, indem das System durch ein Markov Jump Linear System modelliert wird und ein linearer optimaler Regler hergeleitet wird. Zeitvariante Kommunikationseigenschaften führen zu einem nichtkonvexen Optimierungsproblem. Wir modellieren das System in diesem Fall durch ein Stochastisches Hybrides System (SHS) und untersuchen verschiedene mögliche Lösungen des Optimierungsproblems. Zum einen nutzen wir Kosten- oder Policyapproximation, zum anderen verwenden wir einen Szenario-basierten Optimierungsansatz.Auf Netzwerkseite wird neben CPS-Verkehr auch Verkehr aus anderen Quellen berücksichtigt. Dabei sollen Mechanismen der Verkehrsklassifizierung und Zugangskontrolle angewendet werden. Für das Verkehrsmanagement wird hier ein hybrider Ansatz aus zentralen und dezentralen Vorgehensweisen betrachtet. Dabei übernimmt ein sogenannter Observer, der über eine approximierte Sicht auf ein (drahtloses) Subnetzwerk verfügt, die Berechnung von Routen, die dann mithilfe von Source-Routing umgesetzt werden. Um mit Nicht-CPS-Verkehr umgehen zu können werden darüber hinaus Staukontrollmechanismen untersucht, die zum einen auf Wissen über das Netzwerk zurückgreifen können und zum anderen auf die Event-basierte Charakteristik von CPS-Verkehrsströmen eingehen (ein Unterschied zu Verkehrsströmen, wie sie klassischerweise im Internet betrachtet werden).Mit CoCPN wird demnach ein flexibles Framework für CPN bereitgestellt, dass mit unterschiedlichen Verkehrstypen zurecht kommen kann, das Overprovisioning im Netzwerk vermeidet und es einer Regelungsschleife ermöglicht, harte Echtzeitanforderungen gegenüber dem Netzwerk aufzuweichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1914: Cyber-Physical Networking (CPN)