Regelgütegewahrer Entwurf von bedarfsgesteuerten Echtzeitregelungssystemen

Regelgütegewahrer Entwurf von bedarfsgesteuerten Echtzeitregelungssystemen

(Projekt aus Eigenmitteln)

Titel des Gesamtprojektes:
Projektleitung: Peter Ulbrich, Tim Rheinfels
Projektbeteiligte: Tim Rheinfels
Projektstart: 1. September 2015
Projektende: 30. September 2021
Akronym: QRONOS
Mittelgeber:
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

• 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
• 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
• 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
• 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
• 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