M2M, IoT, Industrie 4.0
Cyber Physical Systems sinnvoll 'modellieren'
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Verteilte Steuerung – ein Beispiel
Als ein einfaches Beispiel dafür, wie sich eine Steuerung auf Basis von CPS beziehungsweise unter Verwendung der DOME-Middleware mit einer verteilten Zustandsmaschine realisieren lässt, soll die Steuerung einer Lichtsignalanlage (LSA) dienen. Die Applikation ist als verteilt arbeitende Zustandsmaschine implementiert. Das Steuerungssystem besteht aus zwei kooperierenden Steuerungen, die jeweils die LSA für eine Hauptfahrrichtung steuern. Die Steuerungsaufgabe sieht wie folgt aus: Jede der Fahrtrichtungen wird durch eine Signalgruppe bedient (s0 – s3 im Bild 4). Nachdem ein Umlauf komplett ist, also wieder im Zustand ‚Rot‘, wird ein Signal zur nächsten Signalgruppe gesendet, welche daraufhin mit ihrem Umlauf beginnt. So steuern sich die LSA gegenseitig (kooperativ), ohne eine zentrale Steuerungseinrichtung zu benötigen.
Die LSA dieser Kreuzung ist in das Gesamtverkehrskonzept einer Stadt eingebunden. So wird neben dem Regelbetrieb der Modus ‚Nachtabschaltung‘ (gelb blinken in alle Richtungen) unterstützt. Für diesen Zweck besitzt jede der Signalgruppen einen Umschalter für den Betriebsmodus. Die Steuerung der Phasen ist wie folgt gelöst: Eine Transition vom Zustand ‚Rot‘ dieser Zustandsmaschine ist verbunden mit dem Zustand ‚RotGelb‘ der Zustandsmaschine der Gegenrichtung. Schaltet eine Signalgruppe von ‚Grün‘ über ‚Gelb‘ nach ‚Rot‘, wird beim Erreichen des Zustands ‚Rot‘ ein Ereignis ‚Weiterschalten‘ ausgelöst, welches die oben genannte Transition auslöst und dadurch die Gegenrichtung in ‚RotGelb‘ versetzt (siehe Bild 5). Die Steuerung der Phasen funktioniert so ohne zentrale Steuerungseinheit, sie wird durch die Komponenten kooperativ vorgenommen.
Die Zustandsmaschinen der einzelnen Signalgruppe sind zu einer Zustandsmaschine für die gesamte Lichtsignalanlage verbunden. Hier wurde auch die Anbindung zum Verkehrsmanagement der Stadt entsprechend hergestellt. Durch letzteres werden ‚ModusUmschalten‘-Ereignisse ausgelöst, die zu einem Wechsel zwischen Regelbetrieb und Nachtabschaltung führen.
Die einzelnen Zustandsmaschinen werden für dieses Steuerungsbeispiel nicht kopiert. Vielmehr lassen sich Zustände zu wiederverwendbaren Gruppen verbinden. Eine Änderung in einer Version der Gruppe ist in allen Instanzen sofort sichtbar. Die Zustände können zwischen den verschiedenen Gruppen verbunden werden. Darüber hinaus erlauben die Gruppen eine Parametrierung. Beispiele hierfür sind die Grünphase oder die Festlegung der Phasenübergangszeiten. Zu den Parametern kann zudem die IP-Adresse oder eine Geräte-Identifikation eines CPS gehören, auf der eine Gruppe von Zuständen zur Ausführung kommt. Das ermöglicht die Abarbeitung von Teilen einer Zustandsmaschine auf verschiedenen CPS.
Kurzum: Durch das Modellieren mit Zustandsmaschinen können Steuerungen formal entwickelt und bewertet werden. Die Umsetzung durch das ‚State Design Pattern‘ macht sie automatisch zu einem modularen Algorithmus, welcher sich durch geeignete Dienste der Verteilungsschicht einer Middleware auf verschiedene CPS distribuieren lässt und letztendlich die Umsetzung kooperativer Steuerungen erleichtert. Durch Zusammenfassen von Zuständen zu parametrierbaren, individuell agierenden Gruppen wird zum einen die Wiederverwendbarkeit erhöht, andererseits lässt sich die Steuerung so flexibel gestalten. Parameter wie die Dauer der Phasen beziehungsweise das ausführende CPS können auf diese Weise zur Entwicklungszeit festgelegt und an die Laufzeit angepasst werden.
Autoren:
Marco Meier ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Geschäftsfeldes IKT & Automation am ifak Magdeburg;
Dr. Matthias Riedl ist Leiter des Geschäftsfeldes IKT & Automation am ifak Magdeburg;
Holger Zipper ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Geschäftsfeldes IKT & Automation am ifak Magdeburg.
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