Optimaler gemeinsamer Entwurf von Ressourcenmanagement in drahtlosen Netzen und vernetzter Regelung mit mehreren Regelschleifen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Sandra Hirche; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Kellerer
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315177489

Als cyber-physische Systeme (CPS) bezeichnet man physikalische Systeme, die von Recheneinheiten über ein Kommunikationsnetz beobachtet und gesteuert werden. Beispiele finden sich in Smart Grids, dem Autonomem Fahren und der Robotik. Aus system-theoretischer Sicht sind CPS Regelschleifen, die über ein gemeinsames Kommunikationsnetz geschlossen sind. Man bezeichnet sie auch als vernetze Regelungssysteme (Networked Control Systems, NCS). Aufgrund der Ressourcenlimitierung beeinflussen sich in einem NCS die Regelungs- und Kommunikationsschichten gegenseitig hinsichtlich ihrer Performanz. Es werden neue flexible und skalierbare schichtenübergreifende Strategien benötigt, welche auf Veränderungen in den Schichten reagieren können. Die Entwicklung solcher Regelungs- und Kommunikationstrategien ist Ziel dieses Projektes.In der ersten Phase unseres Projektes im DFG SPP Cyber Physical Networking (CPN) wurde das Co-Design von Regelung und Kommunikation als Optimierungsproblem untersucht. Im Fokus lagen mehrere Regelschleifen mit linear-quadratischer Regelung, die über gemeinsame drahtlose 1-Hop und 2-Hop Netze mit einem Packet Erasure Kanal und zugehöriger Medium Access Control (MAC) Layer geschlossen wurde. Es wurden Strategien für die Regelung und MAC-Layer Kommunikation entwickelt, so dass die Quality-of-Control (QoC) maximiert wird. Damit wurde eine erste systematische Lösung für ein optimales Co-Design von Regelungs- und MAC-Strategien in NCS vorgestellt. Zusätzlich wurde mit Partnern im SPP CPN eine einfache open-source Regelungs- und Kommunikationsplattform für Benchmarking erstellt. In dieser zweiten Phase des Projektes ist das Ziel ein allgemeineres Optimierungsproblem zu lösen, das optimale gemeinsame Strategien für Regelung und Kommunikation findet. Dabei werden im Vergleich mit Phase 1 das Forwarding Delay, Queueing und Paketverlust in einem Multi-Hop Netz sowie heterogene Kritikalitäten der Regelungsaufgaben berücksichtigt. Als Lösungsansatz führen wir das neue Konzept der Utility-of-Information (UoI) ein. Es ist geplant, UoI-Funktionen zu entwickeln, welche die Kopplungseffekte, Abhängigkeiten zwischen den Protokollschichten und heterogene Anforderungen der Regelungsaufgaben in einer einzigen Funktion vereinen. UoI-Funktionen und ihre Approximationen unterstützen die Dekomposition des globalen Optimierungsproblems in lokale, dezentral zu lösende Sub-Probleme.Im Projekt werden UoI-Funktionen für die Kritikalitäten verschiedener Regelungsaufgaben und Kommunikationskontexte auf verschiedene Protokollschichten erarbeitet und Modellierungs- und Analysewerkzeuge für Multi-Hop und Multi-Loop NCS entwickelt. Ultimatives Ziel ist die Lösung eines globalen Optimierungsproblems, das die QoC für Multi-Loop und Multi-Hop Szenarien unter Verwendung berechenbarer und skalierbarer lokaler Strategien maximiert. Die theoretischen Erkenntnisse werden in einem Proof-of-Concept Experiment mit mehreren Robotern in einem drahtlosen Multi-Hop Netz validiert.

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