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2019 | Buch

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Echtzeit 2019

Autonome Systeme – 50 Jahre PEARL

herausgegeben von: Prof. Dr. Herwig Unger

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : Informatik aktuell

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Mit seinem Workshop 2019 zum Thema "Autonome Systeme - 50 Jahre PEARL" bietet der GI/GMA/ITG-Fachausschuss Echtzeitsysteme Wissenschaftlern, Nutzern und Herstellern ein Forum, auf dem neue Trends und Entwicklungen zu folgenden Programmschwerpunkten vorgestellt werden: 50 Jahre Echtzeitprogrammiersprache PEARL, Perspektiven von EZ-Systemen, Modellierung und Simulation, Koordination und Vernetzung, Bilderkennung und -verarbeitung, Funktionale und IKT-Sicherheit sowie KI unter Echtzeitbedingungen. Berichte zu aktuellen Anwendungen und zur Ausbildung runden die Publikation ab.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

PEARL wird 50 und das Digitale Archiv dazu

Zusammenfassung

2019 wird PEARL 50 Jahre alt [43]. Während die Anfänge von PEARL von P. Elzer [37], einem der PEARL-„Väter“, bereits ausführlich gewürdigt wurden, beschäftigt sich dieser Beitrag, motiviert durch aktuelle Vorfälle, mit der Langzeitentwicklung und beleuchtet die Vergangenheit mit Hilfe des neu eingerichteten Digitalen Archivs.

Der Autor, seit 1970 bei der PEARL-Entwicklung und später in Gremien dabei, hatte die Möglichkeit, Zeitdokumente zu sammeln. Das sich abzeichnende Jubiläum und unübersehbare Papier-Alterungsspuren führten zu dem Entschluss, den Bestand zu digitalisieren und ein digitales Archiv einzurichten. Plattform ist die kürzlich von der Gesellschaft für Informatik (GI) ins Leben gerufene Digital Library (dl). Das in Aufbau befindliche Archiv wird in Struktur, Inhalt und Stand erläutert.

Die reichhaltigste Einzelgruppe an Archiv-Dokumenten besteht aus den vom damaligen Kernforschungszentrum Karlsruhe in seiner Rolle als Projektträger des BMFT herausgegeben PDV-Berichten und -Notizen. Sie zeigen die Konsequenz, mit der im Rahmen des 2. DV-Programms der Bundesregierung in den 1970er-Jahren Technologie- und Industrieförderung vorangetrieben wurden. Ein in der Aufmachung gepflegtes Gegengewicht zu den „grauen“ PDV-Dokumenten ist die Anfang der 1980er-Jahre ins Leben gerufene redigierte Zeitschrift PEARL-Rundschau.

Fundstücke aus dem Archiv erlauben einen kurzweiligen Blick auf die Höhepunkte der PEARL-Geschichte. Sie führen zu der Erkenntnis, dass PEARL-Geschichte gleichermaßen Echtzeit-Geschichte ist, dass vieles schon einmal da war und zu der Frage, was daraus zu lernen ist.

Peter Holleczek

Miniaturautonomie und Echtzeitsysteme

Zusammenfassung

Autonomes oder teilautonomes Fahren im Miniaturmaßstab erfordert auf geringen Platz und eingeschränkte Ressourcen spezialisierte Mechanik, Elektronik sowie Soft- und Hardware. In dieser Arbeit werden zwei Miniaturfahrzeuge vorgestellt. Der Miniatur-PKW im Maßstab 1:63 basiert auf einem ESP32. Der Miniatur-LKW im Maßstab 1:87 soll zukünftig mit einem auf eingebettete maschinelle Lernverfahren spezialisierten FPGA-Design ausgestattet werden. Die Arbeiten entstehen gemeinsam mit Bachelor-Studierenden der Informatik und dem Miniatur Wunderland in Hamburg.

Stephan Pareigis, Tim Tiedemann, Jonas Fuhrmann, Sebastian Paulsen, Thorben Schnirpel, Nils Schönherr

Ein autonomes System zur Erfassung von WLAN-Probe-Requests

Zusammenfassung

Viele Autofahrer führen heutzutage ein mobiles Endgerät mit eingeschaltetem WLAN mit sich. Diese senden dann auch während der Fahrt Datenpakete mit ihrer MAC-Adresse, sogenannte Probe Requests. Primär dient dies einem schnelleren Verbindungsaufbau. Die durch die MAC-Adresse gegebene Zuordenbarkeit ermöglicht nun jedoch auch das Erstellen von Bewegungsprofilen und -analysen. Der Ansatz ist recht mächtig, ein Missbrauch unter Aushebelung des Datenschutzes durchaus denkbar und auch technisch möglich. Die Abschnittsüberwachung, jedoch mit optischer Kennzeichenerkennung, ist zumindest in Deutschland juristisch stark umstritten [1]. Allerdings sind ebenso völlig unbedenkliche Gruppenauswertungen beispielsweise zur Stau- oder Tempoverstoß-Analyse realisierbar.

In diesem Artikel wird gezeigt, wie ein einzelner Knoten zur Erfassung von WLAN-Probe-Requests durch eine geeignete Auswahl und Kombination von Hard- und Software energieautonom arbeiten kann. Experimente deuten an, dass eine Langzeitbeobachtung überWochen und sogar Monate realisierbar ist.

Miriam Alina Scholz, Robert Baumgartl, Dirk Müller

Test und Fehlersuche in komplexen Autonomen Systemen

Zusammenfassung

In diesem Papier wird ein neuartiger Ansatz für Test und Fehlersuche in komplexen Autonomen Systemen vorgestellt. Basis der Lösung ist die Analyse von Trace-Daten, die von dem Zielsystem über eine dedizierte, häufig schon vorhandene Prozessoreinheit zur Verfügung gestellt werden. Im Vergleich mit dem aktuellen Stand der Technik wird der Ansatz eingeordnet und die besonderen Vorzüge hinsichtlich der Nicht-Intrusivität und der unbegrenzten Überwachungslaufzeit herausgestellt.

Nach einem kurzen Einblick in die Funktionsweise des Systems folgen zwei Anwendungsbeispiele, die Code-Coverage-Messung und die dynamische Analyse, mit welchen der praktische Nutzen des Systems verdeutlicht und ein Einblick in die Handhabung der neuen Methode geliefert wird. Die Möglichkeiten des Systems reichen von einfachen Zeitmessungen, über Wirkkettenmessungen (WCRT Abschätzung), bis hin zu komplexen funktionalen Tests. Wesentlicher Bestandteil für die dynamische Analyse stellt dabei die Verifikationssprache TeSSLa dar, welche dem Leser anhand von kurzen, prägnanten Beispielen näher gebracht wird. Abschließend werden Anforderungen an das zu beobachtende System gegeben, um den Einsatz des vorgestellten Werkzeugs zu ermöglichen.

Thomas Preusser, Albert Schulz, Alexander Weiss, Martin Heininger, Martin Leucker, Malte Schmitz, Torben Scheffel, Daniel Thoma

Aufbau einer Mixed-Reality-Versuchsumgebung zur Absicherung autonomer Systeme

Zusammenfassung

Bei der Zulassung von zukünftigen autonomen Fahrzeugen spielt der Test der verschiedenen Komponenten und deren Zusammenspiel eine entscheidende Rolle. Hierfür müssen sowohl klassische Steuergeräte, aber auch erfassende Sensorik mit eingebunden werden. Um diese zu stimulieren, werden sowohl simulative als auch reale Umwelteinflüsse für die einzelnen Komponenten bereitgestellt, um die Eigenschaften der Systeme zu evaluieren. Eine Lösung hierfür können zukünftig so genannte Mixed-Reality Versuchsumgebungen darstellen. In derartigen Umgebungen müssen verschiedene Komponenten so miteinander vernetzt werden, dass sie unter Echtzeitbedingungen Daten austauschen. Um dies zu garantieren, müssen die in der Infrastruktur verwendeten Bibliotheken ein deterministisches Zeitverhalten aufweisen. In dem vorliegenden Papier werden verschiedene derartige Bibliotheken miteinander verglichen und deren Vor- und Nachteile für eine Mixed-Reality Versuchsumgebung diskutiert.

Georg Seifert, Thomas Hempen, Werner Huber

Autonomous Exploration, Mapping and Pathfinding using Sensor Fusion with a PhantomX MKIII

Zusammenfassung

We present a walking robot for autonomous exploration and mapping of unknown terrain, in which different sensors are fused. The used system is the Robot Operationg System (ROS), to which we add new nodes in order to work with all sensors.

Christoph Brandau, Jan-Gerrit Jaeger, Marco Steinbrink, Dietmar Tutsch

Implementierung einer Tensor Processing Unit mit dem Fokus auf Embedded Systems und das Internet of Things

Zusammenfassung

Maschinelles Lernen findet immer mehr Anwendung in unserem Alltag, aber auch sicherheitskritische Systeme werden immer häufiger mit ML-Verfahren ausgestattet. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Realisierung eines Machine-Learning-Co-Prozessors für Embedded Systems und IoT-Geräte. Dabei wurde eine skalierbare Architektur mit Anlehnung an Google’s Tensor Processing Units umgesetzt. Kleinere Systeme können so mit diesem Beschleuniger ausgestattet werden und neben der parallelen Ausführung von ML-Modellen noch andere Echtzeitaufgaben übernehmen.

Jonas Fuhrmann

Mikroarchitekturgewahre Analyse des Ressourcenverbrauchs unter Berücksichtigung des Gesamtsystems

Zusammenfassung

Dem heutigen Stand der Technik entsprechende Mikroprozessoren besitzen immer komplexere Komponenten, um die mittlere Abarbeitungszeit von Instruktionen zu beschleunigen. Die Verwendung solcher Prozessoren in eingebetteten Systemen, die zeitlichen oder energetischen Beschränkungen unterliegen, birgt daher Herausforderungen für statische Analysemethoden zur Bestimmung des maximalen Ressourcenverbrauchs. Konkret zeigt sich der Einfluss der Mikroarchitektur hierbei auf zwei Arten. Zum einen beeinflusst die Mikroarchitektur direkt die momentan in Ausführung befindliche Aufgabe. Zum anderen stellen potenzielle Veränderungen des Mikroarchitekturzustands aufgrund von Verdrängung einen indirekten Einfluss dar.

Diese Arbeit stellt deshalb Möglichkeiten zur sowohl mikroarchitekturals auch systemgewahren Analyse des maximalen Ressourcenverbrauchs vor. Der vorgestellte Ansatz beachtet hierbei sowohl den Einfluss der Mikroarchitektur auf die isolierte Ausführung einer Aufgabe als auch die Verzögerungen, die eine Aufgabe wegen der Veränderung des Mikroarchitekturzustands durch verdrängende Aufgaben erfährt. Das vorgestellte Verfahren wurde in das quelloffene Analysewerkzeug Platin als Erweiterung des SysWCEC-Ansatzes für die Entwicklungsplatine Infineon XMC4500 integriert. Die erzielten Ergebnisse weisen substanzielle Verbesserungen durch das Beachten der Mikroarchitektur auf. Sie bestätigen die allgemeine Verwendbarkeit des Ansatzes für eine mikroarchitekturund systemgewahre Analyse des maximalen Ressourcenverbrauchs.

Phillip Raffeck

Entscheidungslogik generieren

Zusammenfassung

Können KI-Techniken im Bereich der Software- Entwicklung sicherheitsrelevanter eingebetteter Systeme genutzt werden? Im Artikel werden Anwendungsmöglichkeiten betrachtet und Kriterien hergeleitet, die dabei zu beachten sind.

Jens Lehmann

Zur sicheren Vernetzung von Kraftfahrzeugen

Zusammenfassung

Durch den Einsatz von Kommunikationstechnik im Fahrzeug- und Verkehrswesen soll eine effizientere Ausnutzung vorhandener Transportinfrastrukturen erreicht werden, indem alle Beteiligten vernetzt und koordiniert werden. In der heterogenen Systemlandschaft von Fahrzeug- und Verkehrstechnikherstellern stellt die Gewährleistung von Interoperabilität bei gleichzeitiger Wahrung grundlegender IT- Schutzziele eine besondere Herausforderung dar. Diese Arbeit stellt eine auf Mobilfunkkommunikation und perfekt sicherer Verschlüsselung basierende Architektur vor, die eine herstellerübergreifende Vernetzung von Fahrzeugen untereinander und mit der Verkehrsinfrastruktur ermöglicht. Dem Problem des Schlüsselnachschubs wird durch Prädistribution und Indizieren von Meldungen begegnet. Es wird gezeigt, dass die Architektur zuverlässige und echtzeitfähige Kommunikation ermöglicht und den Anforderungen an die funktionale Sicherheit nach ISO 26262 genügt.

Christoph Maget

Condition Monitoring System in Lua unter RTOS-UH

Zusammenfassung

Die Verfügbarkeit einer Anlage stellt für die Betreiber eine wichtige wirtschaftliche Größe dar. Ungeplante Stillstände verursachen hohe Kosten durch Produktionsausfall. Solche Probleme können vielfach vermieden werden, wenn der Zustand von Verschleißkomponenten genau bekannt ist. Durch messtechnische Überwachung dieser Komponenten lassen sich Aussagen darüber treffen, wann sich Teile ihrer Verschleißgrenze nähern und eine Wartung der Anlage zum Tausch der Bauteile notwendig wird. Dieser Beitrag beschreibt die Implementierung eines Condition Monitoring Systems in der Scriptsprache Lua unter dem Echtzeitbetriebssystem RTOS-UH.

Tobias Aretz, Jan Bartels, Dennis Göbel

Betrachtungen zu Latenzquellen und deren Beobachtung in POSIX-Systemen am Beispiel von Container-Runtimes

Zusammenfassung

Die am weitesten verbreiteten autonomen Systeme der Zukunft sind aller Voraussicht nach intelligente Fahrzeuge, welche selbständig im Straßenverkehr navigieren und mit der Umgebung interagieren. Diese neuen Funktionen erfordern den Einsatz von performanten Mehrkernprozessoren sowie von komplexen (POSIX-kompatiblen) Betriebssystemen. Gleichzeitig erfordert der Einsatz im Automobil hohe funktionale Sicherheit (ASIL-Level), was unter anderem robuste Echtzeiteigenschaften der verwendeten Hard- und Software voraussetzt. Den Echtzeiteigenschaften steht die erhöhte Komplexität mit neuen Quellen für nichtdeterministische Latenzen gegenüber. In diesem Paper präsentieren wir eine Übersicht über diese neuen Einflussfaktoren, und vermessen anschließend Containerlaufzeitumgebungen und deren Latenzverhalten. Wir zeigen dabei, das Netzwerkbrücken unter Last erheblichen Einfluss (Faktor 4–5) auf die Netzwerklatenz ausüben können.

Ludwig Thomeczek, Andreas Attenberger, Johannes Kolb, Václav Matoušek, Jürgen Mottok

Verifikation einer Funktionsblockbibliothek für die Prozessautomatisierung

Zusammenfassung

Um einen hohen Automatisierungsgrad erreichen zu können, wird der Einsatz von Software in der Prozessautomatisierung immer wichtiger. Allerdings hat Software bis heute nicht das Maß an Verlässlichkeit erreicht, das zur Umsetzung sicherheitsgerichteter Automatisierungssysteme erforderlich ist. Von den bisherigen Forschungsergebnissen ausgehend erscheint dieses Maß jedoch erreichbar, wenn zum Programmentwurf eine grafische Programmiersprache in Verbindung mit einer vorab verifizierten Funktionsblockbibliothek genutzt wird. Frühere Versuche, eine Bibliothek geeigneten Umfangs zu verifizieren, sind allerdings an der Kompliziertheit der eingesetzten Verfahren sowie der Komplexität rechnergestützter Automatisierungssysteme gescheitert. Basierend auf den Ergebnissen aus [1] wird in diesem Beitrag deshalb ein entwurfsbegleitendes Verifikationsverfahren vorgestellt, dem Einfachheit als Entwurfsprinzip zugrunde liegt und mit dem es schließlich gelungen ist, eine vollständige Funktionsblockbibliothek für die Prozessautomatisierung mathematisch streng zu verifizieren. In Verbindung mit der in [2] vorgeschlagenen Datenverarbeitungsanlage für sicherheitsgerichtete Automatisierungsaufgaben schafft diese Bibliothek die Grundlage zur Realisierung verlässlicher sicherheitsgerichteter Automatisierungssysteme.

Marc L. Schulz

Cache-Kohärenz für embedded Multicore-Mikrocontroller mit harter Echtzeitanforderung

Zusammenfassung

Bedingt durch die gestiegenen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von modernen Steuergeräten mit harter Echtzeitanforderung erfolgt in diesem Bereich verstärkt der Einsatz von Multicore-Mikrocontrollern. Dabei stellt die Verwendung solcher Mikrocontroller die Softwareentwickler immer wieder vor größere Herausforderungen, da konkurrierende Zugriffe auf geteilte Ressourcen, wie Speicher, die Echtzeitfähigkeit des Systems gefährden können. Zur Reduzierung dieser Effekte implementieren die Hersteller solcher Mikrocontroller dedizierte Speicher für jeden Prozessorkern, über welchen die Kerne exklusiv verfügen. Diese Lösung hilft aber nur bedingt bei der Intercore-Kommunikation, welche zwingend eine Interaktion von mehreren Prozessorkernen auf einen geteilten Speicher erfordert. Auf Grund dessen wird in diesem Artikel ein Verfahren zur Intercore-Kommunikation präsentiert, welches die Auswirkungen von konkurrierenden Zugriffen durch die Nutzung von Caches reduziert. Zu diesem Zweck wird ein softwarebasiertes und echtzeitfähiges Cache-Kohärenzprotokoll implementiert, welches die Datenaktualität und -konsistenz sicherstellt und dabei die Anzahl der konkurrierenden Zugriffe reduziert.

Philipp Jungklass, Mladen Berekovic

Titel: Echtzeit 2019
herausgegeben von: Prof. Dr. Herwig Unger
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-27808-3
Print ISBN: 978-3-658-27807-6
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-27808-3