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Fakultät Informatik Institut Software- und Multimediatechnik, Lehrstuhl Softwaretechnologie
Multi-Objective Optimized Software Architectures (MOOSA) for Life-by-Wire Prof. Dr. Uwe Aßmann Sebastian Götz Technische Universität Dresden ResUbic Lab http://www.resubic.org http://st.inf.tu-dresden.de July 3, 2012
Fakultät Informatik Institut Software- und Multimediatechnik, Lehrstuhl Softwaretechnologie
• FLY-BY-WIRE • William G. Redmond - US Patent 3,679,156, 1972 • http://www.google.com/patents?
hl=de&lr=&vid=USPAT3679156&id=GTswAAAAEBAJ&oi=fnd&dq=fly-by-wire&printsec=abstract#v=onepage&q=fly-by-wire&f=false
Prof
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Fly By Wire
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1. The Near Future: Help-By-Wire
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Rescue-By-Wire Pr
of.
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agendaCPS
einen eventuellen Fehlalarm anzuzeigen. Zeigt ein Bewe-gungssensor beispielsweise einen Sturz an, muss nicht unbe-dingt etwas passiert sein und ein Notruf ausgelöst werden.
Reagiert der Patient nicht, löst das Mobilgerät einen Not-ruf aus und übermittelt seine aktuellen Daten sowie die Kranken akte an die Notrufzentrale. Auf Basis dieser In-formationen lässt sich dort eine fundierte Entscheidung treffen, wie am besten zu reagieren ist. Handelt es sich beispielsweise nicht um eine lebensbedrohliche Situation, kann etwa als erster Schritt auch ein Verwandter oder Nach-bar informiert werden, um nach dem Rechten zu sehen. Die über die Mobilgeräte des Patienten und von möglichen Ersthelfern ermittelten Ortsinformationen können genutzt werden, um zunächst einen geeigneten Helfer in der Nähe
auszuwählen und mittels einer Navigationslösung auf sei-nem Mobilgerät an den Ort des Geschehens zu lotsen.
Wird die Entscheidung getroffen, einen Krankenwagen zu entsenden, können die gesundheitsrelevanten Daten unmittelbar dorthin übermittelt und noch während der Fahrt ausgewertet werden. So kann sich das Team im Krankenwagen optimal auf den Einsatz vorbereiten und während der Fahrt anhand aktueller Sensorwerte den Pa-tientzustand abschätzen. Auch an das Krankenhaus selbst können die Daten bereits übermittelt werden, sodass, etwa für eine erforderliche Notoperation, alles vorbereitet werden kann.
GeschützteGesundheitsdaten
Smart HealthNotrufzentrale
Abbildung 2.7: Illustration der Koordinationsbeziehungen im beschriebenen Notfallszenario
[Acatech]
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• „In der Europäischen Union werden jährlich ueber 7.000 Fussgänger und 2.000 Fahrradfahrer bei Verkehrsunfällen getätet. Hunderttausende werden darüber hinaus bei Verkehrsunfällen verletzt.“
• [M. Bischoff. Aktive Sicherheitssysteme fuer den Schutz von Fussgaengern im Strassenverkehr]
Prof
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The Oma Warner
Um 4.30 Uhr hatte sich Regina F. auf den Weg zur Arbeit gemacht. Von der Britzer Straße in Schöneweide zum Putzen nach Marienfelde. Sie schaffte es nicht mal bis zum S-Bahnhof. Viel zu schnell kam ein Kombi um die Ecke gefahren. So schnell, dass das Auto aus der Kurve flog und über den Bürgersteig raste. Durch den Aufprall wurde Regina F. auf die Straße geschleudert. Nur kurz hielt der Mann an, dann gab er Gas und raste davon.
http://www.bz-berlin.de/bezirk/treptow/raser-faehrt-oma-um-und-macht-sich-davon-article1373880.html
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• reach a safe state without power
Passive Fail-safe system (FS)
• Extensive testing
Quality assurance
• Normal mode • Safe
Verification
• Certification agencies • For product liability
Certification
Prof
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Requirements for Help-by-Wire Systems
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2. The Mid-Term Future: Move-By-Wire
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Drive-By-Wire: The Google Car
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BMW Connected Drive Connect (CDC)
http://www.digitaltrends.com/cars/destination-home-how-fully-autonomous-driving-might-come-sooner-than-we-think/
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• reach this safe state only with power
Active Fail-safe systems (AFS)
• may fail but continue to work
Fail-operational systems (FO)
• Extensive testing
Quality assurance
• Normal mode • Safe
Verification
• Certification agencies • For product liability
Certification
Prof
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Requirements for Move-by-Wire Systems
3. The Software for Life-by-Wire: Mul%-‐Objec%ve Op%miza%on So5ware Architectures (MOOSA)
Prof. Uwe Aßmann Sebastian Götz
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Sensor Sensor
Actuator Actuator
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Basics of a Cyber-Physical System for Life-by-Wire
Environment
Computing Part Computing
Actuators
Sensors
Cyber Physical
Communication
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3-Dimensional Self-Adaptivity: Delivered Quality x Context x Available Resources:
Collect
Analyze
Decide
Act
QoS Demands Objectives
Software Component 1
Software Component 2
Software Component 3
Impl Impl Impl
Internet
UMTS/LTE
W-LAN LAN
Slide 13 time energy
contexts
Fakultät Informatik Institut Software- und Multimediatechnik, Lehrstuhl Softwaretechnologie Li
ve-b
y-w
ire
syst
em (
Cyb
er-
phys
ical
sys
tem
) Reliability
Real-Time Simulation
World model
Dynamics model (movements)
Safety-criticality
Privacy
Fail safety
Security
Self-Adaptivity Efficiency requirements
Real-time
Energy consumption
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Requirements for Life-by-Wire
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• CPS must be reliably composable – Functional Contracts – Quality Contracts
• Heterogeneous Rich Components (Damm et.al, 2005)
• Contract Checking of Quality Properties, e.g.
• Energy reserve for active fail-safety (AFS)
• „The robot swarm can still run 25s, so the shutdown to safe state has start in 5s“
Reliability with Contract Checking Pr
of.
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real-time
safety
dynamics
component
component
component energy
Quality Contract
Quality Contract
Quality Contract
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CPS need self-adaptability • Which implementations of the
contracts • in which quality mode • on which resources • give the most efficient
configuration?
• Configuration Optimization – QoS adaptation – Context adaptation – Resource adaptation
Self-Adaptivity with Multi-Objective Optimization (MOO) of Software
Architectures
Multi-Objective Optimization of Software Architectures (MOOSA)
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A Platform for Multi-Objective Optimized Software Architectures
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MOO Software Architecture with CCM
Contract Checking with Heterogeneous Rich
Components
Self-adaptive Workflow Systems (TUD, Richly)
Contract negotiation (TUD, Comqud, Zschaler, Härtig,
MUSIC, Madam)
Reliability Adaptivity
Fakultät Informatik Institut Software- und Multimediatechnik, Lehrstuhl Softwaretechnologie
A Platform for Multi-Objective Optimized Software Architectures
10.04.2012
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Functional Requirements
Non-functional Requirements
Realtime Energy Safety
Modelling
Test
Quality Contract Checking
Multi-Objective Optimizer
(multi-quality)
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Multi-Quality Multi-Objective Configuration Optimization
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Request/Load/
Resource Change
Configuration Optimization
(MOO)
Reconfi-guration
Quality Contract Checking
Modeling
Run Time
Design Time
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System
C1 (3 GHz, 1 Core)
C2 (4 GB)
C3 (3 GHz, 1 Core)
C4 (4 GB)
Hierarchical Architecture with Variants Pr
of.
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Fakultät Informatik Institut Software- und Multimediatechnik, Lehrstuhl Softwaretechnologie
System
C1 (3 GHz, 1 Core)
C2 (4 GB)
C3 (3 GHz, 1 Core)
C4 (4 GB)
Dynamic Variant Reconfiguration Pr
of.
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System
C1-1 (3 GHz, 1 Core)
C2-1 (3 GB)
C3-2 (4 GHz, 12Core)
C4-1 (4 GB)
System
C1-1 (3 GHz, 1 Core)
C2-1 (3 GB)
C3-1 (2 GHz, 12Core)
C4-2 (5 GB)
System
C1-2 (3 GHz, 3 Core)
C2-2 (1 GB)
C3-1 (2 GHz, 12Core)
C4-2 (5 GB)
System
C1-2 (3 GHz, 3 Core)
C2-2 (2 GB)
C3-1 (1 GHz, 14Core)
C4-2 (5 GB)
MOO
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Server1 : Server
frequency : 3GHz perform : 45 GFLOPS
Self-Adaptivity with Multi-Objective Optimization
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Player
framerate: fps
VLC QT
Decoder
datarate: kb/s
Free Comm
DataProvider
bitrate: kb/s
File URL
CPU_S1 : CPU
free : 402 MB throughput : 3 GB/sx
RAM_S1 : RAM
Car1: Car
CPU_S2 : CPU
RAM_S2 : RAM
NET_S2 : NET
Fakultät Informatik Institut Software- und Multimediatechnik, Lehrstuhl Softwaretechnologie
Server1 : Server
frequency : 3GHz perform : 45 GFLOPS
Optimal Configuration for One Request
04.07.12 23
Player
framerate: fps
VLC QT
Decoder
datarate: kb/s
Free Comm
DataProvider
bitrate: kb/s
File URL
Request
CPU_S1 : CPU
free : 402 MB throughput : 3 GB/sx
RAM_S1 : RAM
Car1: Car
CPU_S2 : CPU
RAM_S2 : RAM
NET_S2 : NET
Fakultät Informatik Institut Software- und Multimediatechnik, Lehrstuhl Softwaretechnologie
Server1 : Server
frequency : 3GHz perform : 45 GFLOPS
Optimal Configuration for Another Request
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Player
framerate: fps
VLC QT
Decoder
datarate: kb/s
Free Comm
DataProvider
bitrate: kb/s
File URL
Request
CPU_S1 : CPU
free : 402 MB throughput : 3 GB/sx
RAM_S1 : RAM
Car1: Car
CPU_S2 : CPU
RAM_S2 : RAM
NET_S2 : NET
4. The Cool Component Model
• Prof. Uwe Aßmann • Sebastian Götz
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• So5ware is described using a CCM Structural Model • approx. SysML plus QCL contract language
• SW Components have provided/required ports (e.g. methods of classes) • Quality-‐Modes and Implementa%ons of SW Components are described using QCL contracts
Cool Component Model (CCM) for Multi-Objective Optimization
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Approach: Quality Contract Language
1 contract VLC implements VideoPlayer.play {
2
3 mode highQuality {
4 requires component Decoder {
5 min dataRate: 50 KB/s
6 }
7
8 requires resource CPU { 9 max cpuLoad: 50 percent
10 min frequency: 2 GHz
11 }
12 requires resource Net {
13 min bandwidth: 10 MBit/s
14 }
15
16 provides min frameRate: 25 FPS
17 provides min imageWidth: 1024 Pixel
18 provides min imageHeight: 768 Pixel
19 }
20
21 mode lowQuality {
22 /* More requirements and provisions here ... */
23 }
24 }
Quality Modes
Software Dependencies
Resource Dependencies
Quality Provisions
Quality Modes
Contracts characterize implementations
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Seb
astia
n G
ötz
- M
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• Hardware Structural Model • Hardware Variant Model • Hardware Behavior using Energy State Charts
- Which ResourceTypes exist - How they are connected - Mul%plici%es -‐ Contracts
Specifying Hardware in CCM
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- Concrete resources are modeled and connected to structural model - Behavior templates are assigned per resource - Cost parameters are assigned with values or formulas
Hardware Variant Model
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- use cost parameters instead of concrete value - reuse for resources of same kind - can be executed using workload descrip%ons
Behavioral Modeling with Energy State Charts
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Workload Descriptions
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Resources (Hardware, OS, VM, …)
Software Components
Users
Approach: Runtime Environment
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Global Resource Manager
Local Resource Manager #1
Local Resource Manager #2
Local Resource Manager #2.1
Effi
cien
cy
Workload + Demands
Global Control Loop Manager
Container Manager #1
Container Manager #2
Local App Manager #1.2
Local App Manager #1.1
MOO
Reconfiguration Planning
Monitoring / Profiling
Reconfiguration Act
Dec
ide
An
alys
e
Collect
Seb
astia
n G
ötz
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4. The Multi-Objective Optimization
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Multi-Objective Optimization (MOO) with: • Integer Linear Programming (exact) • Pseudo-Boolean Optimization (exact) • Ant Colony Optimization (approx.) • Simulated Annealing (approx.) • ... Contents of ILP for MOO:
– Variables • Base load • Ressource consumption • Mapping of Implementation (boolean) • NFPs (e.g., bitrate, throughput, framerate, …)
– Restrictions – Objective Function
Speed – Slow: with 30 components, 30 servers: 25 min
Multi-Objective Optimization (MOO) of Configurations
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• An ILP is generated for a certain request on a software component and a hardware variant.
ILP Generation for MOO
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The Generated ILP
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ILP Generator Architecture
1 contract VLC implements VideoPlayer.play {
2
3 mode highQuality {
4 requires component Decoder {
5 min dataRate: 9 MB/s
6 }
7 requires resource Net {
8 min bandwidth: 10 MB/s
9 }
10
11 provides min frameRate: 25 FPS
12 }
13 mode lowQuality {
14 /* More requirements and provisions here ... */
15 }
16 }
CCM Variant Model Runtime Description of Hard- & Software Infrastructure
CCM Structure Model Architecture of Hard- & Software System
QCL Contracts Characterizing Non-functional Behavior of Implementations
Decision Variables
Select Impl Map to HW
Constraints
NFP Provisions
NFP Requirements
Resource Provisions
Resource Requirements
fixed
Knapsack
Knapsack
Architectural Constraints
Objective Functions Requests + QoS Demands
ILP
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Life-by-Wire needs Reliability and Adaptivity
Quality Contract Modeling
Static Quality
Contract Checking
Dynamic configuration optimization with MOO
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Prof
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. Aßm
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Live-by-Wire ...
http://www.digitaltrends.com/cars/destination-home-how-fully-autonomous-driving-might-come-sooner-than-we-think/
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Contact Info
• http://www.resubic.org • [email protected] • [email protected] • [email protected] • [email protected]
• [Acatech] Agenda CPS. Acatech Studie März 2012.
HAEC CRC 912
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Related Publications
S. Götz, C. Wilke, M. Schmidt, S. Cech, and U. Aßmann. Towards energy auto tuning. In: Proceedings of First Annual International Conference on Green Information Technology (GREEN IT), pp. 122–129. GSTF, 2010.
S. Götz, C. Wilke, S. Cech and U. Aßmann. Runtime Variability
Management for Energy-efficient Software by Contract Negotiation In Proceedings of the 6th International Workshop [email protected] (MRT 2011)
S. Götz, C. Wilke, S. Cech, and U. Aßmann. Architecture and Mechanisms of Energy Auto-Tuning. In: Sustainable ICTs and Management Systems for Green Computing, IGI Global, 2012
S. Götz, C. Wilke, S. Richly and U. Aßmann. Approximating Quality Contracts for Energy Auto-Tuning Software. To appear in Proceedings of First International Workshop on Green and Sustainable Software (GREENS 2012), 2012.
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• ResUbic Lab develops the foundation of software for CPS – Connects young researcher groups – ZESSY ST / TIS – EDYRA
• Fluid Data / Open Data • RIA / Mash-Ups
– FlexCloud – New: VICCI (CPS dashboards)
• Common vision and demonstrators • http://www.resubic.org/
10.04.2012
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Forschergruppen