CoCPN-ng – Cooperative Cyber-Physical Networking: Next Generation

• 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 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432191479

Vereinfacht kann ein cyber-physisches System als ein Verbund von Anwendungsregelkreisen aufgefasst werden, die sich Kommunikationsressourcen teilen. Die grundsätzliche Idee von CoCPN besteht darin, diese Ressourcen kooperativ zwischen den Regelkreisen so zu aufzuteilen, dass alle eine ausgeglichene Regelgüte (QoC: Quality of Control) erzielen.Im laufenden Projekt CoCPN wurden unabhängige Anwendungen mit je einem Regelkreis betrachtet. Das Ziel von CoCPN-ng ist, CoCPN weiterzuentwickeln um komplexe, elastische Regelungsanwendungen zu unterstützen, die sich aus mehreren ggf. voneinander abhängigen Regelkreisen zusammensetzen, wie z.B. in zukünftigen Smart Factories. Im Gegensatz zur ersten Förderperiode berücksichtigt CoCPN-ng dabei explizit verkoppelte Anwendungsregelkreise, also Regelungen die auf physischer Ebene wechselwirken oder interagieren, z.B. inverse Pendel die sich berühren könnten.Aufgrund der hohen zu erwartenden Dynamik cyber-physischer Systeme kann eine umfassende manuelle Konfiguration dieser Systeme nicht als zukunftsweisend erachtet werden. In CoCPN-ng beabsichtigen wir daher, den CoCPN-Translator selbstlernend zu gestalten. Als einen möglichen Ansatz zum Online-Lernen werden wir nichtparametrische Lern- und Regressionsverfahren untersuchen. Weiterhin werden wir den Einfluss von Abhängigkeiten zwischen Regelkreisen auf die Metriken QoC und QM systematisch durch Experimente mit der Simulations- und Evaluationsumgebung CoCPN-Sim untersuchen, um diese sinnvoll weiterzuentwickeln.Für die Anwendungsregelung werden neuartige Ansätze untersucht, welche vollständige Regelgesetze anstelle Stellgrößensequenzen versenden. Zudem wird erforscht, in welcher Form der Nutzen/Wert (z.B. Dringlichkeit) eines Datenpakets für die Regelungsanwendung im Kommunikationssystem genutzt werden kann, um zielgerichtet wertvolle Informationen weiterzuleiten und ggf. weniger wertvolle zu verwerfen. Dazu erforderliche Mechanismen im Kommunikationssystem (z.B. ARQ-Mechanismen, Wert-orientierte Warteschlangen) werden erforscht. Aufbauend auf diesen Mechanismen werden wir ein Regelungs-gewahres Transportprotokoll entwerfen welches auf die Anforderungen von elastischen Regelungsanwendungen zugeschnitten ist.Wir werden die Anwendbarkeit und das Konzept von CoCPN-ng systematisch in Simulationen untersuchen. Hierzu werden wir das in der ersten Förderperiode erfolgreich entwickelte CoCPN-Sim nutzen und Szenarien mit variierender Anzahl an Regelkreisen unter wechselnden Kommunikationsbedingungen betrachten. Ein wichtiges Ziel des beantragten Projektes ist die Untersuchung möglicher Trade-offs, etwa im Hinblick auf den Detailgrad der ausgetauschten Informationen und der damit erzielbaren QoC. Weiterhin werden Zielkonflikte hinsichtlich der Komplexität von Kommunikations- und Regelungssystem sowie der erforderlichen Ressourcen (z.B. Rechenleistung, Speicher- und Kommunikationskapazität von ressourcenbeschränkten Sensoren und Aktoren) untersucht.

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