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Lehrstuhl für Informatik 4 & 16
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Lehrstuhl für Informatik 4 & 16

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QRONOS

Regelgütegewahrer Entwurf von bedarfsgesteuerten Echtzeitregelungssystemen

(Projekt aus Eigenmitteln)

Projektleitung: Peter Ulbrich, Tim Rheinfels
Projektbeteiligte: Tim Rheinfels
Projektstart: 1. September 2015
Projektende: 30. September 2021
Akronym: QRONOS
URL: https://www4.cs.fau.de/Research/qronOS/

Abstract:

Ein maßgebliches Entwurfsziel von sicherheitskritischen Regelungssystemen ist die nachweisbare Einhaltung eines spezifischen Qualitätsziels im Sinne der Regelgüte. Dies bedingt die Bereitstellung einer entsprechenden Dienstgüte durch das darunter liegende Echtzeitbetriebssystem in Form von Ressourcen. Der Zusammenhang zwischen der auf zeitlichen Parametern basierenden Dienstgüte und der resultierenden Regelgüte ist dabei jedoch nicht immer einfach: Der nötige Ausführungsaufwand variiert deutlich mit der Situation und Störanregung und umgekehrt haben die konkreten Ausführungsbedingungen einen qualitativen Einfluss auf die Regelgüte. Um trotz all dieser Zusammenhänge die Einhaltung der Regelgüte zu gewährleisten, werden typischerweise pessimistische Überabschätzungen, insbesondere der maximalen Ausführungskosten, getroffen. Daraus ergibt sich letztlich ein hinsichtlich der bereitgestellten Ressourcen stark überdimensioniertes System, wobei der Grad der Überdimensionierung mit der Komplexität und Dynamik des betrachteten Systems überproportional steigt. Hierdurch ist zu erwarten, dass die bisherigen pessimistischen Entwurfsmuster und Analysetechniken in Zukunft an ihre Grenzen stoßen. Ein Beispiel hierfür sind komplexe, adaptive und gemischt- kritische Fahrassistenz- und Autopilotfunktionen in Fahrzeugen, bei denen eine allgemeingültige Garantie für alle Fahrsituationen und Umweltbedingungen weder zweckmäßig noch realistisch ist. Die skizzierte Problematik ist letztlich nur durch eine interdisziplinäre Betrachtung regelungstechnischer und echtzeitsystemorientierter Aspekte zu lösen. Das Forschungsvorhaben geht von existierendem Wissen zum Entwurf von Echtzeitregelungssystemen mit weichen, festen und harten Zeitgarantien aus. Es wird die Grundannahme getroffen, dass der Rechenzeitbedarf der Anwendung signifikant zwischen typischer und maximaler Störanregung variiert und entsprechend zu situationsabhängigen Reserven führt. Hinterfragt wird der rein auf zeitlichen Eigenschaften basierende Entwurf des Gesamtsystems ohne Berücksichtigung der Dynamik der Regelgüte und die damit einhergehende pessimistische Auslegung. Das Ziel des Vorhabens ist die Vermeidung von Pessimismus beim Entwurf von harten Echtzeitsystemen für Regelungsanwendungen mit strikten Qualitätsgarantien und somit die Auflösung des Zielkonfliktes zwischen der Garantie der Regelgüte und einer hohen mittleren Leistungsfähigkeit des Systems. Der verfolgte Lösungsansatz stützt sich auf einen gemeinsamen Entwurf von Regelungsanwendung und Ausführungsumgebung und umfasst die folgenden drei Kernpunkte: die modellgestützte Bewertung der Regelgüte, eine vorausschauende Ablaufplanung von Regelungsaktivitäten und ein hybrides Ausführungsmodell zur Einhaltung der Garantien.

Publikationen:

  • Ulbrich P., Franzmann FP., Harkort C., Hoffmann M., Klaus T., Rebhan A., Schröder-Preikschat W.:
    Taking Control: Modular and Adaptive Robotics Process Control Systems
    10th IEEE International Symposium on Robotic and Sensors Environments (ROSE '12) (Magdeburg, 16. November 2012 - 18. November 2012)
    In: Proceedings of the 10th IEEE International Symposium on Robotic and Sensors Environments, Los Alamitos: 2012
    DOI: 10.1109/ROSE.2012.6402632
    URL: http://www4.cs.fau.de/Publications/2012/ulbrich_12_rose.pdf
  • Klaus T., Franzmann FP., Gaukler M., Michalka A., Ulbrich P.:
    Poster Abstract: "Closing the Loop: Towards Control-aware Design of Adaptive Real-Time Systems"
    37th Real-Time Systems Symposium (Porto, Portugal)
    In: IEEE (Hrsg.): Proceedings of the 37th Real-Time Systems Symposium (RTSS '16), Los Alamitos, CA: 2016
    DOI: 10.1109/RTSS.2016.042
    URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2016/klaus_16_rtss.pdf
  • Vaas S., Ulbrich P., Reichenbach M., Fey D.:
    Application-Specific Tailoring of Multi-Core SoCs for Real-Time Systems with Diverse Predictability Demands
    In: Journal of Signal Processing Systems (2019)
    ISSN: 1939-8018
    DOI: 10.1007/s11265-018-1389-0
  • Ulbrich P., Franzmann FP., Scheler F., Schröder-Preikschat W.:
    Design by Uncertainty: Towards the Use of Measurement Uncertainty in Real-Time Systems
    7th Symposium on Industrial Embedded Systems (SIES '12) (Karlsruhe, Germany, 20. Juni 2012 - 22. Juni 2012)
    In: Proceedings of the 7th IEEE International Symposium on Industrial Embedded Systems, Los Alamitos: 2012
    DOI: 10.1109/SIES.2012.6356595
    URL: http://www4.cs.fau.de/Publications/2012/ulbrich_12_sies.pdf
  • Scheler F., Klaus T., Franzmann FP., Ulbrich P., Schröder-Preikschat W.:
    React in Time: Ereignisbasierter Entwurf zeitgesteuerter verteilter Systeme
    Echtzeit 2015 (Boppard)
    In: Betriebsysteme und Echtzeit, Berlin, Heidelberg: 2015
    DOI: 10.1007/978-3-662-48611-5_10
  • Schuster S., Ulbrich P., Wägemann P., Schröder-Preikschat W.:
    Towards System-Wide Timing Analysis of Real-Time-Capable Operating Systems
    30th Euromicro Conference on Real-Time Systems (ECRTS '18) (Barcelona, 3. Juli 2018 - 6. Juli 2018)
    In: Martina Maggio (Hrsg.): Work-In-Progress Proceedings of 30th Euromicro Conference on Real-Time Systems (ECRTS-WiP '18) 2018
    URL: https://www.ecrts.org/fileadmin/files_ecrts18/ECRTS2018-WiP-proceedings.pdf
  • Dietrich C., Wägemann P., Ulbrich P., Lohmann D.:
    SysWCET: Whole-System Response-Time Analysis for Fixed-Priority Real-Time Systems (Outstanding Paper)
    Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (Pittsburgh, PA, USA, 17. April 2017 - 21. April 2017)
    In: Davis, Rob; Parmer, Gabriel (Hrsg.): Proceedings of the 23rd Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS '17), Los Alamitos, CA: 2017
    DOI: 10.1109/RTAS.2017.37
    URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2017/dietrich_17_rtas.pdf
  • Gaukler M., Michalka A., Ulbrich P., Klaus T.:
    A New Perspective on Quality Evaluation for Control Systems with Stochastic Timing
    HSCC '18: 21st International Conference on Hybrid Systems: Computation and Control (part of CPS Week) (Porto, Portugal, 11. April 2018 - 13. April 2018)
    In: Proceedings of the 21st International Conference on Hybrid Systems: Computation and Control (HSCC '18), New York, NY, USA: 2018
    DOI: 10.1145/3178126.3178134
    URL: https://dl.acm.org/authorize?N667444
  • Franzmann FP., Klaus T., Ulbrich P., Deinhardt P., Steffes B., Scheler F., Schröder-Preikschat W.:
    From Intent to Effect: Tool-based Generation of Time-Triggered Real-Time Systems on Multi-Core Processors
    19th IEEE Symposium on Real-Time Computing (York, UK, 17. Mai 2016 - 20. Mai 2016)
    In: Proceedings of the 19th IEEE Symposium on Real-Time Computing (ISORC 2016) 2016
    DOI: 10.1109/ISORC.2016.27
  • Klaus T., Franzmann FP., Gaukler M., Michalka A., Ulbrich P.:
    Closing the loop: Towards control-aware design of adaptive real-time systems
    2016 IEEE Real-Time Systems Symposium, RTSS 2016
    DOI: 10.1109/RTSS.2016.042
  • Gaukler M., Ulbrich P.:
    Worst-Case Analysis of Digital Control Loops with Uncertain Input/Output Timing
    Workshop on Applied Verification for Continuous and Hybrid Systems (ARCH) (Montreal, Quebec, 15. April 2019 - 15. April 2019)
    In: Proceedings of the 6th International Workshop on Applied Verification of Continuous and Hybrid Systems (ARCH '16) 2019
    DOI: 10.29007/c4zl
    URL: https://www4.cs.fau.de/Research/qronOS/Media/arch19-qronos-preprint.pdf
  • Ulbrich P., Gaukler M.:
    QRONOS: Towards Quality-aware Responsive Real-Time Control Systems
    25th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, Brief Presentations Track (Montreal, Quebec, 16. April 2019 - 18. April 2019)
    In: Mitra Nasri (Hrsg.): Proceedings of the 25th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, Brief Presentations Track 2019
    URL: http://2019.rtas.org/wp-content/uploads/2019/04/RTAS19_BP_proceedings.pdf
  • Gaukler M., Rheinfels T., Ulbrich P., Roppenecker G.:
    Convergence Rate Abstractions for Weakly-Hard Real-Time Control
    (2019)
    Open Access: http://arxiv.org/abs/1912.09871
    URL: http://arxiv.org/abs/1912.09871
  • Gaukler M., Roppenecker G., Ulbrich P.:
    Details and Proofs for: Stability Analysis of Multivariable Digital Control Systems with Uncertain Timing
    IFAC World Congress 2020 (Berlin, 12. Juli 2020 - 17. Juli 2020)
    Open Access: https://arxiv.org/abs/1911.02537
    URL: https://arxiv.org/abs/1911.02537
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg

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