Variable-structure simulation for object-oriented models with generation of variants

In Forschung und Entwicklung wird die Modellierung von technischen Systemen als Ergänzung oder als Ersatz für klassische Prototypen verwendet. Die Simulation ist die Ausführung eines solchen Softwaremodells. Es entstehen Simulationsdaten, die abhängig von der Qualität des Modells Rückschlüsse auf das Originalsystem zulassen. Im Kern besteht ein hier betrachtetes Modell aus einem differential-algebraischen Gleichungssystem, das durch sogenannte Solver zeitschrittweise gelöst wird. Für die Entwicklung komplexer Modelle werden Beschreibungstechniken aus der Objektorientierung angewendet. Objekte werden in der Modellierung Komponenten genannt und fassen ein wiederverwendbares Verhalten durch Gleichungen zusammen. Ein Simulationsmodell wird werkzeugunterstützt aus Komponenten zusammengestellt, wodurch vom Gleichungssystem abstrahiert wird. Ein solches Modell durchläuft vor der Simulation einen Übersetzungsprozess, der die Hierarchie auflöst, um das Gleichungssystem zu bilden. Durch die abstrakte Beschreibungstechnik erreicht das entstehende Gleichungssystem schnell ein Größe, die einen erheblichen Berechnungsaufwand für die Simulation mit sich bringt. Aktuelle Simulationswerkzeuge nutzen während der Simulation ein festes und optimiertes Gleichungssystem, wodurch die Möglichkeiten eingeschränkt sind, grundlegende Veränderungen während der Simulation durchzuführen. Das Konzept der Strukturvariabilität behandelt Veränderungen des Gleichungssystems und bietet damit die Möglichkeit, Verhaltensänderungen oder eine Anpassung der Genauigkeit zur Effizienzsteigerung durchzuführen. Es existieren verschiedene Auslegungen und prototypische Realisierungen, die zum Teil eine eigene Modellierungssprache einführen oder Strukturvariabilität durch eine Simulationssequenz von manuell generierten, klassischen Modellen realisieren. Bisher kaum betrachtet wurde die Fragestellung, wie die unterschiedlichen Gleichungssysteme effzient beschrieben und Veränderungen ausgeführt werden können. Daher wird in dieser Arbeit gezeigt, wie Strukturvariabilität auf dem gleichen Abstraktionslevel wie das komponentenorientierte Modell beschrieben und wie die Entwicklung eines solchen Modells stattfinden kann. Dazu werden ein Vorgehensmodell und eine Notation eingeführt, die in einer Entwicklungsmethode zusammengefasst und von einem prototypischen Java-Werkzeug unterstützt werden. Die Objektorientierung der Modellierungssprache Modelica wird verwendet, um Strukturvariabilität basierend auf dem Austausch von Komponenten zur Simulationszeit zu ermöglichen. Die Methode basiert auf der Erweiterung eines klassischen Modelica-Modells um strukturvariables Verhalten. Das Vorgehensmodell zeigt, in welcher Reihenfolge und mit welchen Abhängigkeiten die Artefakte der Methode erstellt werden. Durch Zustandsautomaten wird an Komponenten beschrieben, welche alternativen Komponenten zum Austausch herangezogen werden und unter welchen Bedingungen der Austausch zur Simulationszeit stattfindet. Diese komponentenorientierte Strukturvariabilität erfordert einen neuen Übersetzungs- und Simulationsprozess, der durch die Generierung von Varianten realisiert wird. Aus den Zustandsautomaten werden Kombinationen von Komponenten abgeleitet, die zusammen mit dem unveränderlichen Teil des Modells eine Variante des Simulationsmodells ergeben. Während der Simulation sind nacheinander verschiedene Varianten aktiv. Die Simulationssteuerung überwacht die Simulation und die Austauschbedingungen der Komponenten und generiert bei Bedarf eine neue Variante und damit ein neues Gleichungssystem, das dann zur Simulation herangezogen wird. Bei einem Wechsel sind Herausforderungen wie die Übertragung und Initialisierung von Variablenwerten zu lösen. Zur Anwendung der Methode wird die prototypische Entwicklungs- und Simulationsumgebung MoVaSim vorgestellt. Sie stellt mit einem Metamodell eine Datenstruktur für die strukturvariable Ergänzung bereit. Mit Anwendung der Methode im Werkzeug werden fünf Evaluationsmodelle entwickelt und strukturvariabel simuliert. In research and development, modeling of technical systems is used to complement or replace classic prototyping. Simulation then means executing such a software model. The result of a simulation is a set of data, which, depending on the quality of the model, can draw conclusions to the technical system. Such a model consists of one differential-algebraic system of equations, which is solved numerically during simulation. Object-orientation is a concept adopted from software engineering which allows for describing highly complex models. In the domain of physical modeling, objects are known as components which consist of reusable equations. A simulation model is then composed of components with support of a development environment. Such a model has to be transformed by dissolving the hierarchy to generate the system of equations. The abstract description can result in a high level of complexity of the system of equations that is hardly solveable in an arguable time. Established simulation environments use one fixed and optimized system of equations during simulation. Therefore, capabilities to simulate fundamental changes of behavior or to adapt the granularity of equations are limited. The concept of variable-structure modeling deals with changes of the system of equations and provides possibilities to perform changes of behavior and granularity to raise efficiency. Different interpretations and prototypical realizations exist. Some of them use a special language while others use a sequence of manually generated, independent models to realize a variable-structure simulation. Until now, there has not been much effort to research on describing and performing changes of the system of equations of complex models. To fill this gap with this thesis, a description and methodology of variable-structure models is introduced on the abstract level of components. Therefore, a development process and a notation are presented, which are combined in a methodology. A prototypical development and simulation environment is shown, which supports the methodology and notation. The object-oriented language Modelica is used to describe variable-structure behavior based on the exchange of components during simulation time. The methodology extends an existing model with variable-structure behavior guided by the development process. Related artefacts are generated in a defined order. State machines for components describe, which alternative components can be used and which conditions have to be met to perform an exchange during simulation time. This component-based description of a variable-structure model requires a new translation and simulation process. With the introduction of so-called variants, an established translation process can be used while a special simulation control is presented. Derived from the state machines, combinations of components can be found, which in combination with the fixed remains of the model form a variant of the original model. During simulation different variants are successively active, each representing one system of equations. The simulation control observes the simulation as well as exchange conditions and generates new variants on demand and therefore new systems of equations, which are then used for simulation. During the switch of a variant, challenges like the transfer of values in initializations have to be performed. The methodology collects these information while the simulation control performs necessary operations. To be able to apply the proposed methodology, the prototypical development and simulation environment MoVaSim is presented. A metamodel is used as a datastructure for the variable-structure extension. By applying the methodology and with the help of the MoVaSim platform, five evaluation models are developed and simulated with variable-structure behavior.