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An orchestration framework for simulation-based development and verification of cyber-physical systems
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-07
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08878
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020274/files/1020274.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CPS (frei) ; HiL (frei) ; MiL (frei) ; Modellierung (frei) ; SiL (frei) ; Simulation (frei) ; cyber-physical systems (frei) ; cyber-physische Systeme (frei) ; hardware-in-the-loop (frei) ; model-in-the-loop (frei) ; modelling (frei) ; network simulation (frei) ; qemu (frei) ; software-in-the-loop (frei) ; systems engineering (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die zunehmende Komplexität cyber-physischer Systeme (CPS) stellt eine große Herausforderung für die simulationsbasierte Entwicklung und Verifizierung dar. Während die einzelnen Bereiche CPS, Physik, Datenverarbeitung und Kommunikation über fundierte theoretische Grundlagen und ausgereifte Simulatoren verfügen, bleibt die Integration dieser Bereiche in ausführbare Modelle zur Analyse des Gesamtverhaltens des Systems aufgrund unterschiedlicher Modellierungssprachen und Simulationsparadigmen eine Herausforderung. Diese Arbeit stellt ein Orchestrierungsframework zur Integration sowohl realer als auch virtueller CPS-Komponenten vor. Das Framework besteht aus einer generischen Modellierungsmethodik auf Basis eines Block-Port-Connector-Paradigmas, domänenspezifischen Erweiterungen für verschiedene Anwendungsdomänen, einer Komponentenbibliothek zur Organisation verschiedener Komponentenimplementierungen und einem Test-Orchestrator zur Verwaltung ihrer Ausführung. Die hybride Kommunikationsinfrastruktur Infrastruktur (HCI) erleichtert den Datenaustausch zwischen Komponenten sowohl über virtuelle Kanäle als auch über hybride Verbindungen zu realer Hardware. Durch die Trennung von Komponentenschnittstellen und ihren Implementierungen in der Modellierungsmethodik können konsistente Schnittstellen aufrechterhalten werden, während sich die internen Realisierungen weiterentwickeln. Durch diese Trennung sind flexible Kombinationen von Model-in-the-Loop-(MiL), Software-in-the-Loop-(SiL) und Hardware-in-the-Loop-(HiL)-Simulationen innerhalb eines einheitlichen Systemmodells möglich. Dadurch wird eine schrittweise Verfeinerung während des gesamten Entwicklungsprozesses erleichtert. Die HCI bietet konfigurierbare Genauigkeit für die Kommunikationssimulation, vom vereinfachten Datenaustausch bis hin zur detaillierten paketbasierten Simulation von Protokollen und Netzwerkgeräten. Mithilfe der Integration von Physik- und Kommunikationssimulationen in einem einheitlichen Rahmen können Pfadverlust- und Mobilitätsmodelle die Analyse impliziter Wechselwirkungen zwischen physikalischen Umgebungen und Kommunikationsqualität ermöglichen. Mithilfe des Test Orchestrators können komplexe SiL-Simulationen durchgeführt werden, da er die Konfiguration, den Lebenszyklus und die synchronisierte Ausführung externer Simulationseinheiten wie virtuelle Maschinen (VMs) verwaltet. Dadurch kann echte Software in die Simulationsumgebung integriert werden. Das Framework wird anhand von sieben aufeinander aufbauenden Fallstudien aus verschiedenen Bereichen evaluiert, die jeweils unterschiedliche Elemente hervorheben. Die ersten Studien demonstrieren grundlegende Fähigkeiten wie Komponentensubstitution und Kommunikationssimulation in vergleichsweise einfachen Systemen. Komplexere Studien zeigen die Fähigkeit des Frameworks, Multi-Agenten-Systeme mit gemischten MiL-/SiL-Implementierungen abzubilden, die kollaborative Entwicklung in großen Projekten zu unterstützen sowie implizite Interaktionen zwischen physikalischen Umgebungen und Kommunikation zu modellieren und über verschiedene Protokolle in verschiedenen Anwendungsbereichen zu integrieren. Diese Fallstudien bestätigen gemeinsam die drei Kernvorteile des Frameworks: die Analyse heterogener Komponenten, die schrittweise Verfeinerung der Modellgenauigkeit bei Beibehaltung der Schnittstellen und die schrittweise Einbindung realer Komponenten in die Simulationsumgebung.The increasing complexity of Cyber-Physical System (CPS) presents significant challenges in simulation-based design and verification. While the individual domains of CPS, physics, computation, and communication, have robust theoretical foundations and mature simulators, integrating them into executable models to analyze overall system behavior remains challenging due to disparate modeling languages and simulation paradigms. This thesis introduces an orchestration framework for integrating both real and virtual CPS components. The framework consists of a generic modeling methodology based on a block-port-connector paradigm, domain-specific extensions for various application domains, a component library to organize different component implementations, and a test orchestrator to manage their execution. The Hybrid Communication Infrastructure (HCI) facilitates data exchange between components through both virtual channels and hybrid connections to real hardware. The modeling methodology clearly separates component interfaces from their implementations, enabling consistent interfaces to be maintained while internal realizations evolve. This separation allows flexible combinations of Model in the Loop (MiL), Software in the Loop (SiL), and Hardware in the Loop (HiL) simulations within a unified system model, which facilitates progressive refinement throughout the development process. The HCI offers configurable fidelity for communication simulation, from simplified data exchange to detailed packet-based simulation of protocols and network devices. Path loss and mobility models leverage the integration of physics and communication simulations in the unified framework to enable the analysis of implicit interactions between physical environments and communication quality. The test orchestrator enables complex SiL simulations by managing the configuration, lifecycle, and synchronized execution of external simulation units like VirtualMachines (VMs). This allows real software to be incorporated into the simulation environment. The framework is evaluated through seven progressive case studies across di-verse domains, each highlighting different architectural elements. The initial studies demonstrate fundamental capabilities like component substitution and communication simulation in relatively simple systems. More complex studies showcase the framework’s ability to handle multi-agent systems with mixed MiL/SiL implementations, to support collaborative development in large projects, to model implicit interactions between physical environments and communication, and to integrate with industry-standard protocols across various application domains. These case studies collectively validate the framework’s three core advantages: enabling integrated analysis of heterogeneous components, supporting progressive refinement of model fidelity while maintaining interface consistency, and facilitating gradual incorporation of real components into the simulation environment.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031332272
Interne Identnummern
RWTH-2025-08878
Datensatz-ID: 1020274
Beteiligte Länder
Germany
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