Quality-aware Co-Design of Responsive Real-Time Control Systems (QRONOS)
Internally funded project
Acronym: QRONOS
Start date : 01.09.2015
End date : 30.09.2021
Website: https://www4.cs.fau.de/Research/qronOS/
Project details
Short description
Ein maßgebliches Entwurfsziel von sicherheitskritischen Regelungssystemen ist die nachweisbare Einhaltung eines spezifischen Qualitätsziels im Sinne der Regelgüte. Dies bedingt die Bereitstellung einer entsprechenden Dienstgüte durch das darunter liegende Echtzeitbetriebssystem in Form von Ressourcen. Der Zusammenhang zwischen der auf zeitlichen Parametern basierenden Dienstgüte und der resultierenden Regelgüte ist dabei jedoch nicht immer einfach: Der nötige Ausführungsaufwand variiert deutlich mit der Situation und Störanregung und umgekehrt haben die konkreten Ausführungsbedingungen einen qualitativen Einfluss auf die Regelgüte. Um trotz all dieser Zusammenhänge die Einhaltung der Regelgüte zu gewährleisten, werden typischerweise pessimistische Überabschätzungen, insbesondere der maximalen Ausführungskosten, getroffen. Daraus ergibt sich letztlich ein hinsichtlich der bereitgestellten Ressourcen stark überdimensioniertes System, wobei der Grad der Überdimensionierung mit der Komplexität und Dynamik des betrachteten Systems überproportional steigt. Hierdurch ist zu erwarten, dass die bisherigen pessimistischen Entwurfsmuster und Analysetechniken in Zukunft an ihre Grenzen stoßen. Ein Beispiel hierfür sind komplexe, adaptive und gemischt- kritische Fahrassistenz- und Autopilotfunktionen in Fahrzeugen, bei denen eine allgemeingültige Garantie für alle Fahrsituationen und Umweltbedingungen weder zweckmäßig noch realistisch ist. Die skizzierte Problematik ist letztlich nur durch eine interdisziplinäre Betrachtung regelungstechnischer und echtzeitsystemorientierter Aspekte zu lösen. Das Forschungsvorhaben geht von existierendem Wissen zum Entwurf von Echtzeitregelungssystemen mit weichen, festen und harten Zeitgarantien aus. Es wird die Grundannahme getroffen, dass der Rechenzeitbedarf der Anwendung signifikant zwischen typischer und maximaler Störanregung variiert und entsprechend zu situationsabhängigen Reserven führt. Hinterfragt wird der rein auf zeitlichen Eigenschaften basierende Entwurf des Gesamtsystems ohne Berücksichtigung der Dynamik der Regelgüte und die damit einhergehende pessimistische Auslegung. Das Ziel des Vorhabens ist die Vermeidung von Pessimismus beim Entwurf von harten Echtzeitsystemen für Regelungsanwendungen mit strikten Qualitätsgarantien und somit die Auflösung des Zielkonfliktes zwischen der Garantie der Regelgüte und einer hohen mittleren Leistungsfähigkeit des Systems. Der verfolgte Lösungsansatz stützt sich auf einen gemeinsamen Entwurf von Regelungsanwendung und Ausführungsumgebung und umfasst die folgenden drei Kernpunkte: die modellgestützte Bewertung der Regelgüte, eine vorausschauende Ablaufplanung von Regelungsaktivitäten und ein hybrides Ausführungsmodell zur Einhaltung der Garantien.
Scientific Abstract
A key design goal of safety-critical control systems is the verifiable compliance with a specific quality objective in the sense of the quality of control. Corresponding to these requirements, the underlying real- time operating system has to provide resources and a certain quality of service. However, the relationship between real-time performance and quality of control is nontrivial: First of all, execution load varies considerably with environmental situation and disturbance. Vice versa, the actual execution conditions also have a qualitative influence on the control performance. Typically, substantial overestimations, in particular of the worst-case execution times, have to be made to ensure compliance with the aspired quality of control. This ultimately leads to a significant over-dimension of resources, with the degree disproportionately increasing with the complexity and dynamics of the control system under consideration. Consequently, it is to be expected that pessimistic design patterns and analysis techniques commonly used to date will no longer be viable in the future. Examples of this are complex, adaptive and mixed-critical assistance and autopilot functions in vehicles, where universal guarantees for all driving and environmental conditions are neither useful nor realistic. The issues outlined above can only be solved by an interdisciplinary approach to real-time control systems. This research project emanates from existing knowledge about the design of real-time control systems with soft, firm and hard timing guarantees. The basic assumption is that the control application's performance requirement varies significantly between typical and maximum disturbance and leads to situation-dependent reserves, correspondingly. Consequently, the commonly used pessimistic design and analysis of real-time systems that disregards quality-of- control dynamics is scrutinized. The research objective is the avoidance of pessimism in the design of hard real-time systems for control applications with strict guarantees and thus the resolution of the trade-off between quality-of-control guarantees and good average performance. This proposal pursues a co-design of control application and real-time executive and consists of the following three key aspects: model-based quality-of-control assessment, adaptive and predictive scheduling of control activities, and a hybrid execution model to regain guarantees.
