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Wie ausfallsicher sind industrielle Steuerungssysteme? Informatiker entwickeln neue Prüfmethode

Wie reagieren industrielle Steuerungsanlagen auf Störungen? Um dies für eine spezielle Art von Störungen, die auf Berechnungsfehler zurückgehen, zu analysieren, hat die Saarbrücker Informatik-Professorin Martina Maggio in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Lund in Schweden eine neue Methode entwickelt, die bisherigen Prüfverfahren überlegen ist. Die Methode kann aufzeigen, dass eine Steuerung möglicherweise nicht so robust ist, wie aufgrund der bisherigen Maßstäbe vermutet wurde. Dafür wurde das Forscherteam auf der international renommierten „Euromicro Conference on Real-Time Systems (ECRTS)“ mit einem „Best Paper Award“ ausgezeichnet. 

Steuerungssysteme, die die korrekte Funktionsweise eines Gerätes oder einzelner Komponenten eines Systems sicherstellen, kommen vielerorts zum Einsatz – sei es bei der Temperaturregelung im heimischen Kühlschrank, im Tempomat eines Autos oder bei der Überwachung verschiedener Produktionsschritte in einer Fabrik. In allen drei Beispielen würde ein Versagen des Steuerungssystems negative Konsequenzen nach sich ziehen. „Deshalb sind diese Systeme von Haus aus so konzipiert, dass sie robust gegenüber Störungen sind“, sagt die Informatik-Professorin Martina Maggio, die seit 2020 an der Universität des Saarlandes lehrt und an der Schnittstelle von Regelungstechnik und der Entwicklung von Computersystemen forscht.

Bisher stand im Fokus der Forschung vor allem die Ausfallsicherheit von Steuerungssystemen, also wie viele Signalausfälle so ein System verkraften kann, bevor es komplett versagt. „Stabilität ist zwar ein wichtiger Indikator für die Widerstandsfähigkeit eines Steuerungssystems, aber unserer Meinung nach sollten die Analysen feingranularer sein.  Was passiert, wenn ein Sensor oder ein Antrieb ein Signal zwar empfängt, die Steuerungseinheit aber ihre ‚Deadline‘ verpasst und ihr Steuerungssignal mit einer Verzögerung weitergibt?“, so die Professorin.

Hier setzt die Forschergruppe um Martina Maggio an: Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren erfasst der neue Ansatz des internationalen Teams nicht nur, ob ein Steuerungssystem ausfallsicher ist oder nicht, sondern auch, ab wann es zu Leistungseinbußen kommt. Die Wissenschaftler können ebenfalls feststellen, wie lange ein System nach einem Leistungseinbruch braucht, um wieder zu seiner vollen Leistungsfähigkeit zurückzukehren. „Unsere Methode ist somit in der Lage aufzuzeigen, dass eine Steuerung möglicherweise nicht so robust ist, wie aufgrund der bisherigen Maßstäbe vermutet wurde. Denn schon vor dem vollständigen Ausfall eines Systems kann es zu unerwünschtem und sogar gefährlichem Systemverhalten kommen, das man mit unserer Methode frühzeitig erkennen und somit vermeiden kann“, erklärt die Saarbrücker Informatikerin.

Mit dem Analyseverfahren kann genau ermittelt werden, wie viele sogenannter „Deadline Misses“ eine Steuerung verträgt, bevor die Leistungsfähigkeit über ein noch tragbares Level hinaus nachlässt. Dadurch lassen sich die Systeme auch optimieren. So kann bestimmt werden, wann an welchen Stellen mehr Ressourcen in ein Steuerungssystem investiert werden müssen, um die Leistungsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Aber auch, wo möglicherweise zu viel investiert wird und durch eine Entspannung der Vorgaben Rechenleistung eingespart werden kann. Die Forscher haben ihre Methode anhand eines Benchmark-Sets aus 133 Systemen getestet, die als repräsentativ für industrielle Steuerungsanlagen gelten. Auf diese Weise konnten sie zeigen, dass die von ihnen vorgeschlagene Leistungsanalyse die Systemleistung in der Realität gut annähert.

Für die Arbeit, die Martina Maggio an der Universität Lund begonnen hat und in Zusammenarbeit mit ihren Doktoranden Nils Vreman und Anton Cervin (beide Universität Lund, Schweden) durchgeführt hat, wurden sie gemeinsam auf der „Euromicro Conference on Real-Time Systems (ECRTS) 2021“ mit einem „Best Paper Award“ ausgezeichnet. Die Arbeit wird im Rahmen des Horizon 2020-Projekts ADMORPH der Europäischen Union durchgeführt (http://www.admorph.eu).

Originalpublikation:

N. Vreman, A. Cervin, M. Maggio. Stability and performance Analysis of Control Systems Subject to Bursts of Deadline Misses. In 33rd Euromicro Conference on Real-Time-Systems (ECRTS), 2021.

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