TY - BOOK A1 - Wätzoldt, Sebastian A1 - Giese, Holger T1 - Modeling collaborations in self-adaptive systems of systems BT - terms, characteristics, requirements, and scenarios N2 - An increasing demand on functionality and flexibility leads to an integration of beforehand isolated system solutions building a so-called System of Systems (SoS). Furthermore, the overall SoS should be adaptive to react on changing requirements and environmental conditions. Due SoS are composed of different independent systems that may join or leave the overall SoS at arbitrary point in times, the SoS structure varies during the systems lifetime and the overall SoS behavior emerges from the capabilities of the contained subsystems. In such complex system ensembles new demands of understanding the interaction among subsystems, the coupling of shared system knowledge and the influence of local adaptation strategies to the overall resulting system behavior arise. In this report, we formulate research questions with the focus of modeling interactions between system parts inside a SoS. Furthermore, we define our notion of important system types and terms by retrieving the current state of the art from literature. Having a common understanding of SoS, we discuss a set of typical SoS characteristics and derive general requirements for a collaboration modeling language. Additionally, we retrieve a broad spectrum of real scenarios and frameworks from literature and discuss how these scenarios cope with different characteristics of SoS. Finally, we discuss the state of the art for existing modeling languages that cope with collaborations for different system types such as SoS. N2 - Steigende Anforderungen zum Funktionsumfang und der Flexibilität von Systemen führt zur Integration von zuvor isolierten Systemlösungen zu sogenannten System of Systems (SoS). Weiterhin sollten solche SoS adaptive Eigenschaften aufweisen, die es ihm ermöglichen auf sich ändernde Anforderungen und Umwelteinflüsse zu reagieren. Weil SoS aus unterschiedlichen, unabhängigen Subsystemen zusammengesetzt sind, die wiederum das übergeordnete SoS zu beliebigen Zeitpunkten erweitern oder verlassen können, ist das SoS durch eine variable Systemstruktur gekennzeichnet. Weiterhin definieren sich der Funktionsumfang des SoS und dessen Potenzial aus den enthaltenen Subsystemen. Solche komplexen Systemzusammenstellungen erfordern neue Untersuchungstechniken, um die Interaktion der einzelnen Subsysteme, die Kopplung von geteilten Daten und den Einfluss von lokalen Adaptionsstrategien auf das Gesamtsystem besser verstehen zu können. In diesem Bericht formulieren wir aktuelle Forschungsfragen mit dem Fokus auf der Modellierung von Interaktionen zwischen verschiedenen Systemteilen innerhalt eines SoS. Weiterhin definieren wir wichtige Systemtypen und Begriffe aus diesem Bereich durch das Zusammentragen aktueller Literatur. Nachdem wir ein gemeinsames Verständnis über SoS geschaffen haben, leiten wir typische SoS Eigenschaften und allgemeine Anforderungen für eine Modellierungssprache für Kollaborationen ab. Zusätzlich führen wir eine Literaturstudie durch, in der wir ein breites Spektrum von realen Szenarios und existierenden Frameworks zusammentragen, an denen wir die aufgezeigten SoS Eigenschaften diskutieren. Abschließend beschreiben wir den Stand der Wissenschaft bezüglich existierender Modellierungssprachen, die sich mit Kollaborationen in verschiedenen Arten von Systemen, wie SoS, beschäftigen. T3 - Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Digital Engineering an der Universität Potsdam - 96 KW - modeling KW - collaboration KW - system of systems KW - cyber-physical systems KW - feedback loops KW - adaptive systems KW - Modellierung KW - Kollaborationen KW - System of Systems KW - Cyber-Physical Systems KW - Feedback Loops KW - adaptive Systeme Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-73036 SN - 978-3-86956-324-4 SN - 1613-5652 SN - 2191-1665 IS - 96 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - BOOK A1 - Becker, Basil A1 - Giese, Holger T1 - Cyber-physical systems with dynamic structure : towards modeling and verification of inductive invariants N2 - Cyber-physical systems achieve sophisticated system behavior exploring the tight interconnection of physical coupling present in classical engineering systems and information technology based coupling. A particular challenging case are systems where these cyber-physical systems are formed ad hoc according to the specific local topology, the available networking capabilities, and the goals and constraints of the subsystems captured by the information processing part. In this paper we present a formalism that permits to model the sketched class of cyber-physical systems. The ad hoc formation of tightly coupled subsystems of arbitrary size are specified using a UML-based graph transformation system approach. Differential equations are employed to define the resulting tightly coupled behavior. Together, both form hybrid graph transformation systems where the graph transformation rules define the discrete steps where the topology or modes may change, while the differential equations capture the continuous behavior in between such discrete changes. In addition, we demonstrate that automated analysis techniques known for timed graph transformation systems for inductive invariants can be extended to also cover the hybrid case for an expressive case of hybrid models where the formed tightly coupled subsystems are restricted to smaller local networks. N2 - Cyber-physical Systeme erzielen ihr ausgefeiltes Systemverhalten durch die enge Verschränkung von physikalischer Kopplung, wie sie in Systemen der klassichen Igenieurs-Disziplinen vorkommt, und der Kopplung durch Informationstechnologie. Eine besondere Herausforderung stellen in diesem Zusammenhang Systeme dar, die durch die spontane Vernetzung einzelner Cyber-Physical-Systeme entsprechend der lokalen, topologischen Gegebenheiten, verfügbarer Netzwerkfähigkeiten und der Anforderungen und Beschränkungen der Teilsysteme, die durch den informationsverabeitenden Teil vorgegeben sind, entstehen. In diesem Bericht stellen wir einen Formalismus vor, der die Modellierung der eingangs skizzierten Systeme erlaubt. Ein auf UML aufbauender Graph-Transformations-Ansatz wird genutzt, um die spontane Bildung eng kooperierender Teilsysteme beliebiger Größe zu spezifizieren. Differentialgleichungen beschreiben das kombinierte Verhalten auf physikalischer Ebene. In Kombination ergeben diese beiden Formalismen hybride Graph-Transformations-Systeme, in denen die Graph-Transformationen diskrete Schritte und die Differentialgleichungen das kontinuierliche, physikalische Verhalten des Systems beschreiben. Zusätzlich, präsentieren wir die Erweiterung einer automatischen Analysetechnik zur Verifikation induktiver Invarianten, die bereits für zeitbehaftete Systeme bekannt ist, auf den ausdrucksstärkeren Fall der hybriden Modelle. T3 - Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Digital Engineering an der Universität Potsdam - 64 KW - Cyber-Physical-Systeme KW - Verifikation KW - Modellierung KW - hybride Graph-Transformations-Systeme KW - Cyber-physical-systems KW - verification KW - modeling KW - hybrid graph-transformation-systems Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62437 SN - 978-3-86956-217-9 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - BOOK A1 - Voß, Anja T1 - Untersuchung und Modellierung der Stickstoff- und Phosphorumsatz- und Transportprozesse in mesoskaligen Einzugsgebieten des Tieflandes am Beispiel von Nuthe, Hammerfließ und Stepenitz T1 - Analysis and modelling of nitrogen and phosphorus transformation and transport processes in the mesoscale lowland basins Nuthe, Hammerfließ, and Stepenitz N2 - Ziel dieser Arbeit war es, die Stickstoff- und Phosphorprozesse im nordostdeutschen Tiefland detailliert zu untersuchen und Handlungsoptionen hinsichtlich der Landnutzung zur nachhaltigen Steuerung der Stickstoff- und Phosphoreinträge in die Fließgewässer aufzuzeigen. Als Grundvoraussetzung für die Modellierung des Nährstoffhaushaltes mussten zunächst die hydrologischen Prozesse und die Abflüsse für die Einzugsgebiete validiert werden. Dafür wurde in dieser Arbeit das ökohydrologische Modell SWIM verwendet. Die Abflussmodellierung umfasste den Zeitraum 1991 - 2000. Die Ergebnisse dazu zeigen, dass SWIM in der Lage war, die hydrologischen Prozesse in den Untersuchungsgebieten adäquat wiederzugeben. Auf der Grundlage der Modellierung des Wasserhaushaltes wurden mit SWIM die Stoffumsatzprozesse für den Zeitraum 1996 - 2000 simuliert. Um dabei besonders das Prozessgeschehen im Tiefland zu berücksichtigen, war die Erweiterung von SWIM um einen Ammonium-Pool mit dessen Umsatzprozessen erforderlich. Außerdem wurde der Prozess der Nährstoffversickerung so ergänzt, dass neben Nitrat auch Ammonium und Phosphat durch das gesamte Bodenprofil verlagert und über die Abflusskomponenten zum Gebietsauslass transportiert werden können. Mit diesen Modellerweiterungen konnten die Stickstoff und Phosphorprozesse in den Untersuchungsgebieten gut abgebildet werden. Mit dem so validierten Modell wurden weitere Anwendungen ermöglicht. Nährstoffsimulationen für den Zeitraum 1981 bis 2000 dienten der Untersuchung des abnehmenden Trends in den Nährstoffkonzentrationen der Nuthe. Die Untersuchungsergebnisse lassen deutlich erkennen, dass sich die Konzentrationen nach 1990 hauptsächlich auf Grund der Reduzierung der Einträge aus punktförmigen Quellen und Rieselfeldern verringert haben. Weitere Modellrechnungen zur Herkunft der Nährstoffe haben ergeben, dass Nitrat überwiegend aus diffusen Quellen, Ammonium und Phosphat dagegen aus punktförmigen Quellen stammen. Als besonders sensitiv auf die Modellergebnisse haben sich die Parameter zu Landnutzung und -management und die Durchwurzelungstiefe der Pflanzen herausgestellt. Abschließend wurden verschiedene Landnutzungsszenarien angewendet. Die Ergebnisse zu den Szenariorechnungen zeigen, dass fast alle vorgegebenen Landnutzungsszenarien zu einer Verringerung der Stickstoff- bzw. Phosphoremissionen führten. Die Anwendung von Szenarien, die alle relevanten Zielvorgaben und Empfehlungen zum Ressourcenschutz berücksichtigen, zeigen die größten Veränderungen. N2 - The main objective of this study was to investigate the nitrogen and phosphorus processes in the north-eastern German lowlands and to suggest sustainable management options concerning land use that could lead to a reduction in nitrogen and phosphorous emissions into the river network. In order to fulfil the basic requirements of water quality modelling on river basin scale, the hydrological processes had to be validated first. For this purpose the ecohydrological model SWIM was used. The simulations were carried out on a daily time step within the period 1991 - 2000. The results have shown that SWIM was able to reproduce adequately the hydrological processes within all investigation areas. Based on these hydrological simulations the nutrient processes were modelled with SWIM for the time period 1996 - 2000. It became obvious that the modelling approaches within SWIM, especially concerning the nutrient cycling processes in lowland watersheds, had to be modified. Thus, an ammonium pool including its transformations processes was added. In addition, leaching not only of nitrate but also of ammonium and phosphate throughout the whole soil profile is now possible. Thus all nutrients can be transported to the outlet of the watersheds by the flow components. It could be shown that with these modifications the model was able to reproduce well the nitrogen and phosphorus processes in the research areas. With the validated model further applications were enabled. In order to investigate the reason for the decreasing trend in the nutrient concentrations in the Nuthe River, nutrient simulations were performed for the period 1981 - 2000. The results show that the concentrations after 1990 have decreased mainly because of the reduction of emissions from point sources and sewage fields. Further simulations in order to gain more information about the different nutrient sources showed that nitrate basically originates from diffuse sources and ammonium as well as phosphorus from point sources. Especially parameters related to land use and management as well as the root depth of plants turned out to be very sensitive to model results. Concluding, different land use change scenarios were adapted. The calculation results demonstrate that almost all provided scenarios lead to a reduction in the emission rates. Applying those scenarios which consider all relevant aims and recommendations concerning the protection of resources the highest changing rates could be achieved. T3 - Brandenburgische Umwelt-Berichte - 19 KW - Wasserqualität KW - Modellierung KW - Nährstoffe KW - diffuse Belastung KW - Landnutzung KW - water quality KW - modeling KW - nutrients KW - diffuse pollution KW - land use Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-16356 SN - 978-3-940793-13-3 SN - 1434-2375 SN - 1611-9339 IS - 19 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER -