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Apr 02, 2023 224 likes •587 views

INTO-CPS: An well-founded integrated tool chain for comprehensive Model-Based Design of Cyber-Physical Systems Professor Peter Gorm Larsen

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SLIDE 1

www.into-­‑cps.au.dk ¡

INTO-­‑CPS: ¡An ¡well-­‑founded ¡integrated ¡tool ¡chain ¡ for ¡comprehensive ¡Model-­‑Based ¡Design ¡of ¡ ¡ Cyber-­‑Physical ¡Systems ¡

¡

Professor ¡Peter ¡Gorm ¡Larsen ¡ Department ¡of ¡Engineering, ¡Aarhus ¡University ¡ Head ¡of ¡SoJware ¡Engineering ¡

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Who ¡am ¡I? ¡

§ Professor ¡Peter ¡Gorm ¡Larsen; ¡MSc, ¡PhD ¡ § 25+ ¡years ¡of ¡professional ¡experience ¡

  • ½ ¡year ¡with ¡Technical ¡University ¡of ¡Denmark ¡
  • 13 ¡years ¡with ¡IFAD ¡
  • 3,5 ¡years ¡with ¡SystemaVc ¡
  • 10 ¡years ¡with ¡IHA/Aarhus ¡University ¡

§ Reviewer ¡for ¡EU ¡on ¡Research ¡projects ¡and ¡applicaVons ¡ § Consultant ¡for ¡most ¡large ¡defence ¡contractors ¡on ¡large ¡complex ¡ projects ¡(e.g. ¡Joint ¡Strike ¡Fighter) ¡ ¡ § Mostly ¡proud ¡of ¡the ¡firmware ¡of ¡a ¡NFC ¡chip ¡in ¡250+ ¡million ¡phones ¡ § RelaVons ¡to ¡industry ¡and ¡academia ¡all ¡over ¡the ¡world ¡ § Has ¡wri_en ¡books ¡and ¡100+ ¡arVcles ¡(in ¡parVcular ¡about ¡VDM) ¡ § See ¡h_p://pure.au.dk/portal/da/pgl@eng.au.dk ¡for ¡details ¡

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Short ¡video ¡overview ¡of ¡my ¡own ¡research ¡

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pgl@eng.au.dk ¡

Background ¡

  • Embedded ¡

Systems ¡

  • Co-­‑Modelling, ¡

Co-­‑SimulaVon ¡

INTO-­‑CPS ¡ project ¡

  • Cyber ¡Physical ¡

Systems ¡(CPSs) ¡

  • System ¡Vision ¡

4 ¡

Outline ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 5 ¡

Embedded ¡Systems ¡

  • InteracVng ¡compuVng, ¡

physical, ¡human ¡elements ¡

  • Increasingly ¡complex ¡logic ¡(e.g. ¡

moding) ¡~80% ¡of ¡control ¡ soJware ¡

  • Error ¡detecVon ¡and ¡recovery ¡
  • CollaboraVve ¡development ¡
  • Diverse ¡disciplines ¡cultures, ¡

abstracVons, ¡formalisms ¡

  • Typically ¡tackled ¡separately ¡
  • Need ¡for ¡design ¡space ¡

explora;on ¡

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pgl@eng.au.dk ¡

  • Modern ¡systems ¡are ¡complex ¡
  • To ¡cope ¡with ¡this, ¡we ¡can ¡build ¡models ¡beforehand ¡

– To ¡perform ¡analysis ¡(e.g. ¡staVc ¡analysis, ¡proof, ¡model ¡ checking, ¡simula;on) ¡ – Clarify ¡our ¡assumpVons ¡ – Evaluate ¡potenVal ¡designs ¡ – Avoid ¡expensive ¡prototypes ¡

  • Different ¡modelling ¡paradigms ¡for ¡different ¡aspects ¡

¡

6 ¡

Model-­‑driven ¡Design ¡

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Modelling ¡of ¡SoJware ¡and ¡Physics ¡

  • Typically ¡discrete-­‑event ¡

(DE), ¡e.g. ¡VDM-­‑RT ¡based ¡on ¡ discrete ¡mathemaVcs ¡

  • In ¡simulaVon, ¡only ¡the ¡

points ¡in ¡Vme ¡at ¡which ¡the ¡ state ¡changes ¡are ¡ represented ¡

  • Good ¡abstracVons ¡for ¡

soJware, ¡ ¡ – e.g. ¡data ¡types, ¡object-­‑

  • rientaVon, ¡threading ¡
  • Less ¡suited ¡for ¡physical ¡

system ¡modelling ¡

  • Typically ¡con;nuous-­‑;me ¡

(CT), ¡e.g. ¡differenVal ¡ equaVons ¡

  • In ¡simulaVon, ¡the ¡state ¡

changes ¡conVnuously ¡ through ¡Vme ¡

  • AbstracVons ¡for ¡disciplines, ¡ ¡

– e.g. ¡mechanical, ¡electrical, ¡ hydraulic ¡

  • Poor ¡soJware ¡modelling ¡

support ¡ ¡

– only ¡basic ¡programming ¡support; ¡ no ¡funcVons ¡or ¡objects ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 8 ¡

Background: ¡Co-­‑modelling ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Co-­‑model ¡Interface ¡ Co-­‑model ¡ CT ¡ Model ¡ DE ¡ Model ¡ CT ¡ Model ¡ DE ¡ Model ¡ SoJware: ¡ ¡

  • Discrete ¡
  • Complex ¡logic ¡

Physics: ¡ ¡

  • ConVnuous ¡
  • Numerical ¡ ¡

Mind ¡the ¡Gap! ¡ ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 9 ¡

Background: ¡Co-­‑simulaVon ¡

Con;nuous-­‑ Time ¡ Solver ¡ Co-­‑Simula;on ¡ Engine ¡ Discrete-­‑Event ¡ Simulator ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 10 ¡

Co-­‑simulaVon ¡and ¡real ¡world ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 11 ¡

Reference ¡Books ¡

Baseline ¡Discrete ¡Event ¡ Modelling ¡ Baseline ¡ConVnuous ¡Time ¡ Modelling ¡ Co-­‑Modelling ¡

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www.into-­‑cps.org ¡

INTO-­‑CPS: ¡A ¡new ¡8 ¡M€ ¡H2020 ¡ Project ¡

12 ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 13 ¡

Cyber-­‑Physical ¡Systems ¡

Physics ¡ Control ¡

  • We ¡have ¡looked ¡at ¡individual ¡

embedded ¡systems ¡

  • CPSs ¡are ¡networked ¡groupings ¡of ¡

digital ¡devices ¡

  • … ¡which ¡may ¡require ¡more ¡elaborate ¡

co-­‑models! ¡ ¡

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Cyber-­‑Physical ¡Systems ¡

Physics ¡ Control ¡ Physics ¡ Control ¡ Physics ¡ Control ¡ Physics ¡ Control ¡

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INTO-­‑CPS ¡

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pgl@eng.au.dk ¡

  • 1. Build ¡an ¡open, ¡well-­‑founded ¡tool ¡chain ¡for ¡

mulVdisciplinary ¡model-­‑based ¡design ¡of ¡CPS ¡that ¡ covers ¡the ¡full ¡development ¡life ¡cycle ¡of ¡CPS ¡

  • 2. Provide ¡a ¡sound ¡semanVc ¡basis ¡for ¡the ¡tool ¡chain ¡
  • 3. Provide ¡pracVcal ¡methods ¡in ¡the ¡form ¡of ¡guidelines ¡

and ¡pa_erns ¡that ¡support ¡the ¡tool ¡chain ¡

  • 4. Demonstrate ¡in ¡an ¡industrial ¡senng ¡the ¡effecVveness ¡
  • f ¡the ¡methods ¡and ¡tools ¡in ¡a ¡variety ¡of ¡applicaVon ¡
  • domains. ¡
  • 5. Form ¡an ¡INTO-­‑CPS ¡AssociaVon ¡to ¡ensure ¡that ¡project ¡

results ¡extend ¡beyond ¡the ¡life ¡of ¡the ¡project ¡

16 ¡

INTO ¡CPS ¡ObjecVves ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 17 ¡

CPS ¡co-­‑modelling ¡

shared ¡network ¡ shared ¡compuVng ¡

co-­‑simula*on ¡(MiL) ¡

environment ¡ model ¡

models ¡of ¡cyber ¡elements ¡ models ¡of ¡physical ¡elements ¡ real ¡code ¡ real ¡plant ¡

code ¡genera*on ¡ realisa*on ¡ laboratory ¡tes*ng ¡ SiL ¡ HiL ¡

co-­‑model ¡ architecture ¡models ¡

stub ¡model ¡ ¡ genera*on ¡

requirements ¡

test ¡automa*on ¡ automated ¡co-­‑model ¡analysis ¡ design ¡space ¡explora*on ¡ model ¡checking ¡

analysis ¡plug-­‑ins ¡

¡Andrey.Sadovykh@soTeam.fr ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 18 ¡

Combining ¡Baseline ¡Tools ¡

FMI ¡

Modelio ¡ RT ¡Tester ¡ INTO-­‑CPS ¡ CoSimulaVon ¡ .fmu ¡ 20sim ¡ OpenModelica ¡ VDM ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 19 ¡

Agriculture ¡ Automo-ve ¡ Railways ¡ Building ¡ ¡ Automa-on ¡

ConvenVonal ¡ Inter-­‑crop ¡ crop ¡ cleaned ¡soil ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 20 ¡

Industrial ¡Follower ¡Group ¡

  • AGCO, ¡Denmark ¡
  • Alcatel-­‑Lucent, ¡Ireland ¡
  • Almende, ¡Netherlands ¡
  • Altran, ¡UK ¡
  • Bachmann ¡electronic, ¡Netherlands ¡
  • Bakker ¡Sliedrecht ¡Electro ¡Industrie, ¡Netherlands ¡
  • Bombardier, ¡Germany ¡ ¡
  • Carrier, ¡France ¡
  • CeTIM, ¡Netherlands ¡
  • Chemring ¡TS, ¡UK ¡
  • Conpleks ¡InnovaVon, ¡Denmark ¡ ¡
  • Danish ¡AviaVon ¡Systems ¡ApS, ¡Denmark ¡
  • DEME ¡Group, ¡Netherlands ¡
  • Denso ¡CorporaVon, ¡Japan ¡
  • Dredging ¡InternaVonal, ¡Belgium ¡
  • DSTL, ¡UK ¡
  • ESA, ¡European ¡Space ¡Agency, ¡Netherlands ¡
  • EDF, ¡France ¡
  • Farmertronics ¡BV, ¡Netherlands ¡
  • Goodrich, ¡UK ¡
  • Grundfos, ¡Denmark ¡
  • GN ¡Resound, ¡Denmark ¡
  • HMF, ¡Denmark ¡
  • Huisman ¡Equipment, ¡Netherlands ¡
  • Irmato ¡Industrial ¡SoluVons, ¡Netherlands ¡
  • Jaguar ¡Land ¡Rover, ¡UK ¡
  • MAN ¡Diesel ¡& ¡Turbo, ¡Denmark ¡
  • Mfatech ¡Limited, ¡UK ¡
  • NaVonal ¡InsVtute ¡of ¡InformaVcs, ¡Japan ¡
  • ONERA, ¡France ¡
  • Polar ¡Electro, ¡Switzerland ¡
  • Rockwell-­‑Collins, ¡France ¡
  • Rolls-­‑Royce, ¡UK ¡
  • Seluxit, ¡Denmark ¡
  • Siemens, ¡Sweden ¡
  • Terma, ¡Denmark: ¡
  • Thales, ¡France ¡
  • TTTech ¡Computertechnik, ¡Austria ¡
  • UTC ¡Aerospace ¡Systems, ¡UK ¡
  • West ¡ConsulVng, ¡Netherlands ¡
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www.into-­‑cps.au.dk ¡

IniVal ¡Vision ¡

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pgl@eng.au.dk ¡ 22 ¡

The ¡IniVal ¡INTO-­‑CPS ¡Vision ¡

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pgl@eng.au.dk ¡

  • SysML ¡

– Use ¡Case ¡diagrams ¡ – Requirements ¡diagrams ¡

  • Informal ¡(link ¡and ¡traceable) ¡
  • Formal ¡(LTL, ¡Test ¡automaVon) ¡

23 ¡

Requirements ¡Modelling ¡

uc Line following robot Line following Robot Controller Line Motors Sensors Read optical sensor values Adjust motor control signals Measure optical reflection «include» Encoders Wheels Read encoder ticks Measure encoder ticks «include»

req FaultModelling Model faulty behaviour in the sensors Id=s1 «requirement» faultyBehaviour Model ambient light as noise in the optical sensors Id=s1.1 «requirement» ambientLight Model AD conversion erros in the LSB’s of the

  • ptical sensor readings

Id=s1.2 «requirement» conversionError Model malfunctioning sensors that continuously reads the same value Id=s1.3 «requirement» sensorMalfunction

Model ambient light as noise in the optical sensors Id=s1.1 «requirement» ambientLight «block» SensorRight «satisfy»

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pgl@eng.au.dk ¡ 24 ¡

The ¡IniVal ¡INTO-­‑CPS ¡Vision ¡

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pgl@eng.au.dk ¡

  • Block ¡DefiniVon ¡Diagram ¡(top ¡level) ¡

25 ¡

System ¡DecomposiVon ¡

bdd Line following robot «block» Robot «block» Controller «block» SensorLeft «block» SensorRight «block» WheelLeft «block» WheelRight «block» LineFollowingRobot «block» Environment «block» Line «block» Body «block» EncoderLeft «block» EncoderRight «block» MotorLeft «block» MotorRight

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pgl@eng.au.dk ¡ 26 ¡

System ¡Interface ¡Modelling ¡

  • Internal ¡Block ¡Diagram ¡

– Divide ¡into ¡CT/DE ¡consVtuent ¡models/systems/ components ¡ – Define ¡interfaces ¡between ¡different ¡components ¡

ibd Robot «block» Controller «block» MotorLeft «block» WheelLeft «block» EncoderLeft «block» SensorLeft «block» MotorRight «block» WheelRight «block» EncoderRight «block» SensorRight «block» Body motorSignalL:real encoderSignalL:real encoderSignalR:real motorSignalR:real rotationL:rad/s rotationR:rad/s toWhellR toWheelL toBodyR toBodyL sensorSignalR:real sensorSignalL:real ibd Environment «block» Line robotPosition:real[2,1]

  • pticalReflectionR:real
  • pticalReflectionL:real
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pgl@eng.au.dk ¡

  • Parametric ¡Diagram ¡

– Define ¡conVnuous ¡behaviour ¡of ¡CT ¡components ¡

  • State ¡Machines ¡(DE ¡models ¡generated ¡for ¡tests) ¡

– Define ¡discrete ¡behaviour ¡of ¡DE ¡components ¡

27 ¡

System ¡Behaviour ¡

par Robot totalForce:N forceL forceR forceR:N forceR forceL:N forceL genForceL rxForceL rxForceR genForceR rxForceL:N rxForceL forceR rxForceR:N rxForceR forceL genForceL genForceR bdd Constraints «block» Robot parameters totalForce:N forceL:N forceR:N constraints {totalForce=forceL+forceR} «constraint» TotalForce parameters forceL:N genForceL:N rxForceL:N constraints {forceL=genForceL+rxForceL} «constraint» ForceLeft parameters forceR:N genForceR:N rxForceR:N constraints {forceR=genForceR+rxForceR} «constraint» ForceRight parameters rxForceL:N forceR:N constraints {rxForceL=forceR} «constraint» RxForceLeft parameters rxForceR:N forceL:N constraints {rxForceR=forceL} «constraint» RxForceRight

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pgl@eng.au.dk ¡

The ¡IniVal ¡INTO-­‑CPS ¡Vision ¡

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pgl@eng.au.dk ¡

  • Model ¡fidelity ¡influence ¡simulaVon ¡speed ¡

Methodology: ¡Ideal ¡-­‑> ¡Reality ¡-­‑> ¡Faulty ¡

  • DE/CT/Contract(interface)-­‑first ¡

29 ¡

Co-­‑model ¡Development ¡

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pgl@eng.au.dk ¡

The ¡IniVal ¡INTO-­‑CPS ¡Vision ¡

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pgl@eng.au.dk ¡

  • Trace ¡of ¡model ¡arVfacts ¡ ¡

– Can ¡be ¡accessed ¡both ¡from ¡VCS ¡and ¡graphically ¡ – Show ¡mulVple ¡models ¡and ¡their ¡properVes ¡ – When ¡mulVple ¡possibiliVes ¡exist, ¡use ¡Design ¡Space ¡ ExploraVon ¡experiment ¡design ¡ ¡ – If ¡component ¡can ¡be ¡finite, ¡use ¡model ¡checking ¡parVally ¡ automated ¡from ¡semanVcs ¡of ¡model ¡ – Trace ¡of ¡model ¡results/evidence ¡

31 ¡

Co-­‑model ¡Traceability ¡

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The ¡IniVal ¡INTO-­‑CPS ¡Vision ¡

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pgl@eng.au.dk ¡

  • Determine ¡significant ¡dimensions ¡
  • Design ¡experiments ¡
  • Start ¡sweeping ¡to ¡find ¡opVmum ¡
  • Determine ¡fault ¡tolerance ¡
  • Choose ¡desired ¡configuraVons ¡

33 ¡

Design ¡Space ¡ExploraVon ¡

Left Sensor Right Sensor

{ {

(a) (d) (g) (b) (c) (e) (h) (f) (i) (c) (f) (i) (b) (e) (h) (a) (d) (g) Robot forwards direction 10mm 65mm 130mm Robot centre-line Robot centre-line 10mm 30mm 50mm

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pgl@eng.au.dk ¡

  • When ¡experiments ¡show ¡the ¡model ¡is ¡fit ¡for ¡purpose, ¡

create ¡co-­‑model ¡for ¡Design ¡Space ¡ExploraVon ¡

  • When ¡experiments ¡show ¡the ¡model ¡is ¡fit ¡for ¡purpose, ¡

start ¡test ¡automaVon ¡ ¡

  • When ¡experiments ¡show ¡the ¡model ¡is ¡ready, ¡

gradually ¡incorporate ¡SiL ¡+ ¡HiL ¡in ¡simulator ¡

  • User ¡able ¡to ¡get ¡an ¡overview ¡of ¡development ¡and ¡

evidence ¡produced ¡(access ¡from ¡different ¡tools) ¡

34 ¡

Co-­‑model ¡Development ¡

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Any ¡quesVons? ¡