Selecting sensor redundancies in cyber-physical systems for fault detection using ontological information

Abstract

In den letzten Jahren haben die Fortschritte in den Bereichen Rechenleistung und Energieeffizienz zur Einführung von CPSs in jedem Aspekt des Lebens und der Warenproduktion geführt. Im Einklang mit diesem Trend hat sich die Abhängigkeit von solchen CPSs entsprechend erhöht. Aus diesem Grund ist es notwendig, dass CPSs für hohe Sicherheitsanforderungen ausgelegt sind, was unter anderem zu einer hohen Zuverlässigkeit führt. Um diese Eigenschaften zu erreichen, müssen verschiedene Maßnahmen getroffen werden. Als eine dieser Maßnahmen kann die Verfügbarkeit und Korrektheit der Sensoren eines CPS auf das erforderliche Niveau gebracht werden, indem auf Redundanz gesetzt wird. Diese Redundanz kann durch Hinzufügen zusätzlicher Sensoren für die gleiche Messdomäne erreicht werden. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Redundanzen in den Messungen. Diese Redundanzen können auf natürliche Weise aufgrund physikalischer Verbindungen zwischen verschiedenen Sensoren vorhanden sein. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, der es ermöglicht, diese Redundanzen aus ontologischen Informationen über ein CPS abzuleiten und durch Vergleich Sensoren auf Fehler effizient zu überprüfen. Hierfür wird eine einfache Modellierungssprache vorgestellt, die es ermöglicht, die Beschreibung der Sensoren und deren physikalische Verbindung durchzuführen. Weiters wird gezeigt, dass die Suche nach einer Gruppe von Redundanzen, genannt Grouping Solution (GS), für den Zweck der Überwachung ein NP-vollständiges Problem darstellt. Zum Schluss wird ein Algorithmus präsentiert, der gültige GSs findet und deren Qualität sowie die Komplexität des Algorithmus diskutiert.

In recent years, the advances in computing performance and energy efficiency have led to the introduction of Cyber Physical Systems (CPSs) in every aspect of life and business. In concurrence with this trend, the dependency on such CPSs increased accordingly. For this reason, it is necessary that CPSs are designed with a high safety threshold which among other things leads to high dependability. To achieve these properties, different measures have to be taken. The availability and correctness of the sensors of a CPS, its eyes to the world, is increased to the necessary levels using redundancy as one of those measures. This redundancy can be achieved by adding additional sensors for the same measurement domain. Another approach is to use redundancies in the measurements that occur naturally because of the physical interconnection between different measurements. In the underlying thesis, an approach is presented, that allows to derive these redundancies from ontological information of CPSs and to monitor sensors for faults in an efficient way. For this purpose, a simple modelling language is presented that enables the description of sensors and their physical connection. It is shown that the search for a group of redundancies, called a Grouping Solution (GS), for the purpose of monitoring is an NP-complete problem. Finally, an algorithm is presented that finds valid GSs and their quality is discussed as well as the complexity of the algorithm.