EDENSPACE: Engineering Dependable Cyber-Physical Spaces

Innovationen auf verschiedenen technologischen Gebieten haben zu einer Welt geführt, in der die Grenze zwischen physischen und rechnerischen Aspekten zunehmend verschwimmt. Dieses Phänomen (Cyber-Physical systems) spiegelt sich in der Vorstellung eines räumlich verteilten und softwareintensiven Systems wider, bei dem Rechenelemente stark mit physischen Entitäten interagieren, insbesondere mit Geräten des Internets der Dinge und mit aktiven menschlichen Agenten. Die Entstehung solcher Systeme, die Funktionen zum Erfassen, Betätigen und Steuern beinhalten, während Entscheidungen vorausschauend oder adaptiv getroffen werden, ist ein Schlüsselmerkmal der heutigen Systeme, die häufig kritische Aspekte unserer Gesellschaft durchdringt: Wie kann ein intelligentes Krankenhaus so gestaltet werden, dass die Reaktion des medizinischen Personals gewährleistet ist? Wie kann die Servicequalität durch ein in Betrieb befindliches intelligentes Bike-Sharing-System maximiert werden? Wie kann eine Garantie für einen Schwarm unbemannter Luftfahrzeuge erlangt werden, die innerhalb eines Katastrophenszenarios eine autonome Notfallreaktion in einer Stadt durchführen? Die Beantwortung der obigen Fragen erfordert eine Konzeption eines cyber- physischen Raums (Cyber-Physical Space, CPSp) - einer räumlichen Umgebung, die sowohl rechnerische als auch physikalische Elemente umfasst, die miteinander verbunden sind und eine zusammengesetzte Struktur bilden. Aus Sicht des Software-Engineerings leben räumlich verteilte softwareintensive Systeme in einer dynamischen Umgebung, die mit Geräten, menschlichen Agenten, sich Ändernden Kontexten und / oder lokalisierten Ressourcen gefällt ist. Dies setzt voraus, dass analysierbare Modelle vorhanden sind, mit denen ein sich ständig ändernder Raum beobachtet, bewertet und darauf reagiert werden kann. EDENSPACE befasst sich mit dem systematischen Entwurf und Betrieb von zuverlässigen raumabhängigen Systemen und argumentiert, dass die von ihnen angegebenen dynamischen räumlichen Umgebungen viele Herausforderungen mit sich bringen, die in der klassischen Softwareentwicklung auf ähnliche Weise auftreten, wenn Anforderungen wie Sicherheit, Sicherheit oder Zuverlässigkeit berücksichtigt werden. So können formale Analyse- und Validierungstechniken wie die Modellprüfung oder die Fähigkeit von Systemen, sich zur Laufzeit selbst anzupassen und auf Umgebungsänderungen zu reagieren, für das systematische Engineering räumlich verteilter Systeme übernommen werden, die ihre Anforderungen zuverlässig erfüllen und sie verlässlich machen.

Wir leben zunehmend in Räumen, die sowohl physisch als auch computergestützt sind, und in denen diese beiden Aspekte miteinander verflochten sind: Das Ziel von EDENSPACE war es, Überlegungen zu solchen modernen Umgebungen zu ermöglichen, in denen rechnerische und physische Elemente interagieren - zum Beispiel können Internet-of-Things-Geräte, Roboter und Menschen in einer intelligenten Stadt koexistieren. Die entstehenden Systeme sind softwareintensiv, da sie durch Software dynamisch definiert und gesteuert werden. Systeme können komplex sein, und sowohl ihr Design als auch ihr Betriebsmanagement sollten systematisch erfolgen. Man denke nur an eine Bike-Sharing-Flotte in einer Stadt, an Tausende von Sensorgeräten in einem Wald, die Brände überwachen, oder an eine Produktionshalle, in der Menschen und Roboter gemeinsam arbeiten. Diese stellen wichtige Klassen von Systemen, die als cyber-physische, robotische oder Internet-of-Things-Systeme bezeichnet werden. Ihre Vielfalt und Dynamik, unser Wunsch, dass sie sich rechtzeitig und korrekt verhalten, sowie ihre schiere Größe und Komplexität stellen Herausforderungen dar. So sollten beispielsweise gemeinsam genutzte Fahrräder zur Verfügung stehen, wenn sie gebraucht werden, Sensordaten sollten korrekt analysiert werden oder Roboter sollten keine Sicherheitsprobleme für Menschen darstellen. Solche Herausforderungen werden durch die Tatsache verschärft, dass Computerfunktionen zunehmend in die physische Welt integriert werden. Dies erfordert neue Paradigmen, Techniken und Methoden. Diese sollten sich mit der Frage befassen, wie sie zu entwerfen sind, wie sie mit Daten und Berechnungen umgehen sollten oder wie sichergestellt werden kann, dass sie sich korrekt verhalten. Um solche neuen Arten komplexer Systeme zu entwerfen, müssen ihre erwarteten Eigenschaften analysiert, spezifiziert und dann überprüft werden. Häufig werden die Eigenschaften in funktionale und nicht-funktionale unterteilt, wobei erstere die erwarteten Ergebnisse des Systems erfassen, während letztere seinen komplementären Eigenschaften entsprechen - wie Raum, Zeit, Sicherheit, Fehlertoleranz, kontinuierliche Anpassung, Kommunikation oder Kosten - und nicht weniger relevant sind als die funktionalen Eigenschaften. Modellbasierte Techniken können den Entwurfsprozess erheblich vereinfachen und ihm mehr Strenge verleihen. Darüber hinaus erfordern solche Systeme im Betrieb automatisierte Managementeinrichtungen, um ihre Umgebung zu beobachten und möglicherweise auf Veränderungen zu reagieren, um die Systemeigenschaften zu erfüllen. Um dies zu erreichen, wurden bei EDENSPACE Prinzipien aus dem Software-Engineering und verteilten Systemen angewandt, die eine solide mathematische Grundlage haben, um sicherzustellen, dass die von uns entwickelten Systeme zuverlässig sind. EDENSPACE befasste sich mit einem breiten Spektrum von Problemen in diesem Bereich - von der Entwicklung geeigneter Darstellungen über Techniken zur Verlagerung von Berechnungen in die Nähe der Nutzer, um reaktionsschnelle Anwendungen zu ermöglichen, bis hin zu Methoden, die sicherstellen, dass Infrastrukturen, die aus Cloud- und Internet-of-Things-Geräten bestehen, korrekt funktionieren.