Forschungs-und Entwicklungs-Lab

»Applied System Modeling«

Der Name des FuE-Labs trägt dem stark zunehmenden Gewicht von Mathematik und Informatik in den Ingenieurwissenschaften Rechnung, denn in den Ingenieurwissenschaften basieren Innovationen zunehmend auf Software- und Informationstechnologie. Gleichzeitig wachsen die genutzten Methoden immer stärker zusammen. Modellierung, Simulation, Optimierung und deren Nutzung in Software und in sicherheitsrelevanten Systemen sind unverzichtbare Bestandteile für die Produktentwicklung bzw. Prozessoptimierung.

 

Skalenübergreifende Modellierung 

Charakteristisch für aktuelle, moderne Simulationssoftware ist ein skalenübergreifender Ansatz, bei dem die verschiedenen, auf unterschiedlichen Größen- und Zeitskalen ablaufenden Prozesse möglichst realistisch in einem Modell abgebildet werden. Analog dazu findet auch im Bereich des Software Engineerings eine übergreifende Betrachtung von Hardware- und Softwarekomponenten sowie Systemverhalten statt. So werden modellbasierte Simulationen des Softwareherstellungsprozesses ermöglicht.

 

Fokus des FuE-Labs:

Das Forschungs- und Entwicklungs-Lab »Applied System Modeling« schafft Innovationen für alle drei Anwendungszentren und setzt die erfolgreiche Arbeit des 2010 gegründeten Innovationszentrums Applied System Modeling am Standort Kaiserslautern fort.

Das FuE-Lab gliedert sich dabei in vier Projekte mit verschiedenen Schwerpunkten:

  • Projekt 1: »Hierarchische skalenübergreifende Modellierung«
  • Projekt 2: »Virtuelles Design von Leichtbaukomponenten«
  • Projekt 3: »Prognostics von eingebetteten Systemen«
  • Projekt 4: »Cyber-Physical Systems«

Projekt »Hierarchische skalenübergreifende Modellierung«

Aktuelle Simulationstechniken erlauben es zunehmend, auch komplexe Prozesse in der Verfahrenstechnik abzubilden. Für eine virtuelle Maßstabsvergrößerung (Scale-Up) – von Laboranlagen bis hin zur großindustriellen Produktion – wird jedoch häufig auf vereinfachte Modelle zurückgegriffen. Diese sind nur bedingt aussagekräftig, da sie die zugrunde liegende Komplexität der physikalisch-chemischen und technischen Systeme nur eingeschränkt widerspiegeln.

 

Ziel:

Das Projekt beschäftigt sich mit zentralen Forschungsfragen, die neue hierarchische Methoden zur skalenübergreifenden Modellierung, Simulation und Optimierung (MSO) betreffen. Mit diesen lassen sich chemische und strömungsdynamische Prozesse darstellen.

Projekt »Virtuelles Design von Leichtbaukomponenten«

Bauteile und Komponenten in Fahrzeugen, Industriemaschinen und im Bausektor werden nicht nur immer leichter, sondern erfüllen zunehmend unterschiedliche Funktionen. Zuverlässige Simulationen von Leichtbauteilen müssen daher auch deren Werkstoffeigenschaften mit berücksichtigen.

In den letzten Jahren hat sich das virtuelle Materialdesign als Technologie etabliert. Diese ermöglicht das Bestimmen der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Verbundwerkstoffen und hybriden Materialverbünden – denn daraus bestehen Leichtbauteile. Dies geschieht u.a. durch mikrostrukturbasiertes Upscaling.

 

Ziel:

Das Projekt erarbeitet Anforderungen an Modellierung und Simulation zur Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsbewertung von Leichtbaukonzepten in Nutzfahrzeugen, basierend auf virtuellem Materialdesign.

Projekt »Prognostics von eingebetteten Systemen«

Der Hauptgrund für viele Softwarefehler sind falsche Architekturentscheidungen in frühen Phasen der Entwicklung. Dies kann neben offensichtlichen Fehlern auch versteckte Mängel zur Folge haben, die sich zum Beispiel in einer mangelnden Zuverlässigkeit der Anwendungen manifestieren. Nachträgliche Revisionen führen dann zu deutlich erhöhten Entwicklungszeiten und Kosten.

Insbesondere bei eingebetteten Systemen mit hoher Sicherheitsrelevanz, z.B. in Fahrzeugen, ist es wichtig, Architekturentscheidungen auf fundierte Analysen und objektiv ermittelbare Fakten – statt nur auf Erfahrungen – zu stützen. Basierend auf Prototypen ist dies jedoch sehr teuer.

 

Ziel:

Im Projekt werden neue simulationsbasierte Prognose-, Analyse- und Testverfahren entwickelt, die Fehler im Systemdesign frühzeitig erkennen und ausschließen sollen. Basierend auf Techniken zur automatisierten Bewertung von Algorithmen und Modellen wird dabei das Verhalten des Systems und dessen Reaktion auf Änderungen vorhergesagt.

Projekt »Cyber-Physical Systems – offene eingebettete Systeme«

Eingebettete Software wird heute jeweils für eine dedizierte Anwendung entwickelt. Während der Lebenszeit eines Systems ändert sich diese nicht. So werden viele Probleme, die man aus der Welt der Personal Computer kennt, vermieden. Inkonsistente Softwarestände können zum Beispiel nicht auftreten, da alles vor Auslieferung überprüft wird.

Dies führt jedoch auch dazu, dass Systeme sich nicht an neue Anforderungen anpassen können. Zukünftige Systeme werden offen sein und nicht nur den Austausch von Daten, sondern auch den Austausch von Verhalten untereinander unterstützen. Diese Art von Systemen nennt man »Cyber-Physical Systems«. Da viele dieser Systeme sicherheitsrelevante Prozesse steuern und Zugriff auf vertrauliche Daten haben, führt dies zu neuen Herausforderungen hinsichtlich der Architekturen solcher Systeme, die gewährleisten müssen, dass Fehler keine kritischen Folgen haben und dass auch erfolgreiche Angriffe nur eingeschränkte Schäden verursachen können.

 

Ziel:

Im Projekt werden Architekturkonzepte für sicherheitskritische offene eingebettete Systeme erforscht.