REFLEXES: Eine integrierte Architektur zur aktiven Regelung in Netzelementen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Sandra Hirche; Professor Dr.-Ing. Klaus Wehrle
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315171171

Fortschritte in Sensorik, Kommunikation, Regelung und Rechenleistung haben Cyber-Physische Systeme (CPS) als neue Klasse komplexer Anwendungen hervorgebracht.Prozesse sind dabei nicht mehr an einzelne Geräte gebunden, sondern werden von mehreren voneinander abhängigen und über Kommunikationsnetze verbundenen Knoten koordiniert.CPS drängen in immer mehr Bereiche vor, wie z.B. Automatisierung, Energie, Transport und Krankenversorgung.Der Einsatz von CPS verspricht erhebliche Vorteile, darunter mehr Flexibilität, Effizienz und Anpassbarkeit. Der traditionelle getrennte und mehrschichtige Aufbau von Kommunikations- und Regelungsarchitekturen erschwert jedoch die Einführung von CPS, da kommunikationsbedingte Unzuverlässigkeit und Latenzen die Regelungsqualität beeinträchtigen und sogar zu gefährlichem Verhalten führen können. Ziel dieses Projekts ist es, eine neuartige, integrierte Architektur für Kommunikation und Regelung zu entwickeln, um eine bestmögliche Leistung von CPS unter gegeben Kommunikations- und Rechenressourcen zu ermöglichen.Unser Kernkonzept hat eine Analogie in der Natur: Reflexe sind schnelle, vordefinierte, einfache Handlungsmuster im Rückenmark, d.h. in der Nähe (im Sinne von niedrigen Latenzen) von Sensoren und Aktoren; übergeordnete Planungs- und Regelung befinden sich weiter entfernt im Gehirn. In Phase I haben wir das Paradigma der In-Netzwerk-Regelung eingeführt, das natürliche Reflexe widerspiegelt, indem es die (begrenzte) Rechenleistung aktiver Netzwerkkomponenten nutzt, um Regler so nah wie möglich an einen Prozess heranzuführen.Wir haben gezeigt, dass dies die Regelungsqualität signifikant verbessert, wenn Netzwerke zuverlässig und Beziehungen zwischen Sensorwerten und Regelungssignalen einfach sind.Unser Ziel für Phase II ist es, unseren Ansatz für realistischere Szenarien auszubauen.Im Fokus stehen dabei die Erhöhung der Zuverlässigkeit drahtloser Regelungssysteme, sowie erweiterte Verarbeitungsfunktionalitäten innerhalb des Netzwerks.Wir nutzen dazu fortgeschrittene, robuste Mechanismen für unsichere Systeme im Regelungsdesign, einschließlich komplexerer Signalverarbeitung, unter Berücksichtigung der begrenzten Rechenleistung innerhalb des Netzwerks und der Verzögerungen bei drahtloser Kommunikation.Mittels Kooperation räumlich benachbarter Netzwerkelemente werden wir auch in Fällen beeinträchtigter Kanäle Latenzen und Verluste von Kontrollsignalen niedrig halten und somit eine deutlich verbesserte Regelungsqualität durch deterministische Ausführung der Regler erzielen. Die wichtigsten Beiträge dieses Projekts sind (i) ein neuartiger Ansatz zur Verteilung der Regelung auf gegebene Kommunikations- und Berechnungsinfrastrukturen inklusive geeigneter Analysewerkzeuge zur Leistungsbewertung, sowie (ii) ein Software-Framework für die In-Netzwerk-Verarbeitung unter Echtzeitbeschränkungen, basierend auf einer grundlegend neuen Methodik zum Co-Design von Regelungs- und Kommunikationsverfahren.

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