A generic architecture style for self-adaptive cyber-physical systems

Die aktuellen Konzepte zur Gestaltung von Regelungssystemen basieren auf dynamischen Verhaltensmodellen, die mathematische Ansätze wie Differentialgleichungen zur Ableitung der entsprechenden Funktionen verwenden. Diese Konzepte stoßen jedoch aufgrund der zunehmenden Systemkomplexität allmählich an ihre Grenzen. Zusammen mit der Entwicklung dieser Konzepte entsteht eine Architekturevolution der Regelungssysteme. In dieser Dissertation wird eine Taxonomie definiert, um die genannte Architekturevolution anhand eines typischen Beispiels, der adaptiven Geschwindigkeitsregelung (ACC), zu veranschaulichen. Aktuelle ACC-Varianten, die auf der Regelungstheorie basieren, werden in Bezug auf ihre Architekturen analysiert. Die Analyseergebnisse zeigen, dass das zukünftige Regelungssystem im ACC eine umfangreichere Selbstadaptationsfähigkeit und Skalierbarkeit erfordert. Dafür sind kompliziertere Algorithmen mit unterschiedlichen Berechnungsmechanismen erforderlich. Somit wird die Systemkomplexität erhöht und führt dazu, dass das zukünftige Regelungssystem zu einem selbstadaptiven cyber-physischen System wird und signifikante Herausforderungen für die Architekturgestaltung des Systems darstellt. Inspiriert durch Ansätze des Software-Engineering zur Gestaltung von Architekturen von softwareintensiven Systemen wird in dieser Dissertation ein generischer Architekturstil entwickelt. Der entwickelte Architekturstil dient als Vorlage, um vernetzte Architekturen mit Verfolgung der entwickelten Designprinzipien nicht nur für die aktuellen Regelungssysteme, sondern auch für selbstadaptiven cyber-physischen Systeme in der Zukunft zu konstruieren. Unterschiedliche Auslösemechanismen und Kommunikationsparadigmen zur Gestaltung der dynamischen Verhalten von Komponenten sind in der vernetzten Architektur anwendbar. Zur Bewertung der Realisierbarkeit des Architekturstils werden aktuelle ACCs erneut aufgenommen, um entsprechende logische Architekturen abzuleiten und die Architekturkonsistenz im Vergleich zu den originalen Architekturen basierend auf der Regelungstheorie (z. B. in Form von Blockdiagrammen) zu untersuchen. Durch die Anwendung des entwickelten generischen Architekturstils wird in dieser Dissertation eine künstliche kognitive Geschwindigkeitsregelung (ACCC) als zukünftige ACC-Variante entworfen, implementiert und evaluiert. Die Evaluationsergebnisse zeigen signifikante Leistungsverbesserungen des ACCC im Vergleich zum menschlichen Fahrer und aktuellen ACC-Varianten.