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Functional modeling of cyber-physical systems = Funktionale Modellierung cyber-physischer Systeme
2025
Dissertation, RWTH Aachen University, 2025
Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-27
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07968
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1018781/files/1018781.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004
Kurzfassung
Die heutigen Cyber-Physischen Systeme müssen immer mehr Funktionalitäten erfüllen, was ihre Entwicklung vor neue Herausforderungen stellt. Die Aktivitäten traditioneller Entwicklungsmethoden fokussieren die Entwicklung physikalischer Teile oder Software Module und nicht der angeforderten Funktionen, deren Realisierung die Interaktion dieser Komponenten erfordert. Die Information, welche Komponenten, bzw. welche Interaktion welcher Komponenten die geforderte Funktion erfüllt bleibt in der Regelimplizit und erschwert die Kollaboration der Experten aus den verschiedenen Domänen. Auch die Validierung und Verifikation der angeforderten Funktionen wird durch das nicht Vorhandensein dieser Information in formaler Form erschwert. Zwischen den informell und abstrakt beschriebenen funktionalen Anforderungen und der Dokumentation ihrer Implementierungen entsteht eine konzeptionelle Lücke. Die in der Entwicklung Cyber-Physischer Systeme involvierten Domänen haben jeweils ein eigenes Verständnis dessen etabliert, was die Funktion eines Systems ist. Diese Verständnisse wurden jedoch noch nicht zu einer holistischen Modellierungstechnikkonsolidiert. Diese Arbeit stellt das funktionale Entwicklungsparadigma vor, welches den Fokus der Entwicklung auf das Finden von Realisierungen der cyber-physischen Funktionen, die ein System, das Energie, Material und Daten definiert, legt. Dies steht im Kontrast zu traditionellen Ansätzen, die die Entwicklung von Komponenten zur Erfüllung funktionaler Anforderungen anstreben. Darin wird ein Cyber-Physisches System als ein Netzwerk aus interagierenden gezeiteten stromverarbeitenden Funktionen verstanden und modelliert. Um dieses formale Verständnis des Systems inder Entwicklung praktisch anwenden zu können wird außerdem ein Meta-Modellvorgestellt und in Form eines SysML-Profils implementiert, das die wesentlichen Anforderungen und Konzepte zur Entwicklung von Modellierungssprachen integriert. Diese Technik wird dann angewandt um einen Konstruktionskatalog aus dem Maschinenbau zu formalisieren und so aufzuzeigen, dass die Modellierung es schafft, eine Brücke zwischen Softwareentwicklung und Maschinenbau zu schaffen.Engineering Cyber-Physical Systems faces many challenges including the demand to integrate many different forms of functionalities and features. Traditional engineering processes are structured by the physical components and software modules of the final system and the engineering activities are concerned with evolving these components. In these approaches, the information, which components realize which functions and, in particular, which components interact in which way to implement a function, most often remains implicit. This hinders not only the collaboration of experts from different domains but also an agile approach to engineering which becomes efficient through automation, e.g., of V&V tasks. The shift towards functional requirements gives rise toa conceptual gap between their abstract descriptions and the very detailed descriptions of the system’s implementation. So far, the involved engineering domains have established an understanding of what a system’s function is, but these understandings have not been consolidated and integrated in a suitable interdisciplinary modeling technique. Therefore, we propose a functional development paradigm that promotes development by finding realizations of cyber-physical functions, which transform energy, matter, and data, rather than implementing physical products or software modules directly. Therein, we model a CPS as a network of interacting timed stream processing functions, which specify the desired logical behavior and the physical behavior. By applying this modeling technique to formalize the design process in mechanical engineering, we show how to integrate the functional understanding of software and mechanical systems, which paves the way for agile and holistic model-driven engineering of CPSs. Further, we propose requirements and a meta-model for implementing modeling languages to model these functions.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031277706
Interne Identnummern
RWTH-2025-07968
Datensatz-ID: 1018781
Beteiligte Länder
Germany
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