[논문 리뷰] Cyber-virtual systems: Simulation, validation & visualization

Jan Olaf Blech, Maria Spichkova외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 28.

Simulation Techniques and Applications참고 문헌 39인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 물리적 산업 장비와 소프트웨어 기반 시뮬레이션 복제체를 융합한 사이버-가상 시스템—즉, 산업 자동화 분야에서 시뮬레이션, 검증, 시각화를 향상시키기 위한 하이브리드 환경—을 소개한다. VITELab 글로벌 시각화 인fra구조와 공식적인 공간적 행동 유형(BT)을 통합함으로써, 원격 협업, 자동화된 시공간 추론, 그리고 물리적 구현 이전의 시스템 행동 사전 검증이 가능해진다.

ABSTRACT

We describe our ongoing work and view on simulation, validation and visualization of cyber-physical systems in industrial automation during development, operation and maintenance. System models may represent an existing physical part - for example an existing robot installation - and a software simulated part - for example a possible future extension. We call such systems cyber-virtual systems. In this paper, we present the existing VITELab infrastructure for visualization tasks in industrial automation. The new methodology for simulation and validation motivated in this paper integrates this infrastructure. We are targeting scenarios, where industrial sites which may be in remote locations are modeled and visualized from different sites anywhere in the world. Complementing the visualization work, here, we are also concentrating on software modeling challenges related to cyber-virtual systems and simulation, testing, validation and verification techniques for them. Software models of industrial sites require behavioural models of the components of the industrial sites such as models for tools, robots, workpieces and other machinery as well as communication and sensor facilities. Furthermore, collaboration between sites is an important goal of our work.

연구 동기 및 목표

• 특히 광산이나 해양 플랫폼과 같이 원격 또는 접근이 어려운 현장에서의 산업 자동화 시스템의 물리적 구현 및 통합에 따른 높은 비용과 복잡성을 해결한다.
• 고도로 발전된 시각화 및 시뮬레이션을 통해 글로벌 현장 간 개발자, 운영자, 유지보수 인력 간 원격 협업을 가능하게 한다.
• 시공간 행동을 포괄하는 정형적이고 의미가 풍부한 소프트웨어 모델을 개발하여 신뢰할 수 있는 시뮬레이션과 검증을 가능하게 한다.
• 시각화, 정형 모델링, 자동 추론을 통합하여 시스템 행동의 사전 검증을 지원하며, 충돌 탐지 및 센서 범위 분석과 같은 요소를 포함한다.
• 시스템 설계 및 진화 과정에서 구성 요소 간 호환성, 재사용성, 정확한 상호작용을 보장하기 위해 공간적 행동 유형(BT) 기반의 유형 체계를 수립한다.

제안 방법

• 고해상도 다중 스크린 원격 시각화를 가능하게 하기 위해, 특히 글로벌 운영 시각화(GOV) 랩을 포함한 VITELab 인fra구조를 활용하여 산업 자동화 시설의 원격 다중 현장 시각화를 제공한다.
• 인간 요인 분 析에 기반한 반정형, 인간이 이해할 수 있는 명세를 사용하여 산업 구성 요소(로봇, 도구, 컨veyor, 센서 등)를 모델링하여 명확성과 유지보수성을 확보한다.
• 물리적 및 가상 엔티티의 시공간 행동을 추상화하고 조합하며 추론하기 위한 정형 유형 체계로 공간적 행동 유형(BT)을 정의한다.
• BeSpaceD 도구체인을 사용하여 BT 명세를 SMT/SAT 문제로 변환하고, z3 SMT 솔버를 통해 문제를 해결함으로써 정형 검증 기법을 적용한다.
• BT 기반 모델이 충돌 회피, 센서 커버리지, 구성 요소 호환성에 대한 자동 추론을 지원하도록 시뮬레이션, 시각화, 검증을 통합한 유일한 파이프라인을 구축한다.
• 하드웨어 인 더 루프(HIL) 원리를 기반으로 하되, 실시간으로 물리적 로봇과 가상 복제체 간의 상호작용을 시뮬레이션할 수 있도록 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공동 가상 환경을 통해 글로벌 현장 간에 원격으로 산업 자동화 시설을 효과적으로 시각화하고 협업적으로 모니터링할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 로봇 및 센서와 같은 산업 구성 요소의 정확하고 읽기 쉬우며 재사용 가능한 시공간 행동 명세를 가능하게 하는 정형 모델링 접근법은 무엇인가?
• RQ3 공간적 행동 유형(BT)을 위한 유형 체계는 시스템 설계 및 업그레이드 과정에서 구성 요소 간 호환성, 재사용성, 정확한 상호작용을 보장하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 BT 모델에 대한 자동 추론은 충돌 회피 및 센서 커버리지와 같은 안전성이 중요한 성질의 검증을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 시각화, 시뮬레이션, 정형 검증의 통합은 산업 자동화 시스템 구현의 개발 비용과 리스크를 어떻게 감소시키는가?

주요 결과

• VITELab 인fra구조는 고해상도 다중 스크린 디스플레이를 활용하여 대규모 원격 다중 현장 산업 자동화 시스템의 시각화를 성공적으로 지원한다.
• 공간적 행동 유형(BT)은 산업 구성 요소의 시공간 행동을 모델링하기 위한 정형적이고 확장 가능한 프레임워크를 제공하며, 추상화, 적합성, 정밀화를 지원한다.
• BT의 자동 호환성 검증은 구성 요소가 요구되는 행동적 및 공간적 제약 조건을 충족함을 보장하여 안전한 구성 요소 교체 및 재사용을 가능하게 한다.
• BT를 BeSpaceD 도구체인과 통합함으로써, 시공간 성질을 SMT 문제로 인코딩하고 z3를 통해 해결함으로써 자동 검증이 가능해진다.
• BT 기반 시뮬레이션과 시각화를 통해 물리적 구현 이전에 충돌이나 센서 사각지대와 같은 잠재적 문제를 조기에 탐지할 수 있다.
• 가상 환경에서 안전하고 확장 가능한 방식으로 시스템 구성, 구성 요소 교체, 운영 시나리오를 테스트할 수 있어 개발 및 통합 비용을 감소시킨다.