Abstract
In recent years, the vision of a fourth industrial revolution lately captured the attention of researchers. A Cyber-Physical System (CPS) and the Internet of Things (IoT) are two of the main drivers of this vision. Such systems control an underlying Smart-Factory, interacting with sensors, actuators, and other systems, originating the so-called systems-of-systems (SoS). In particular, these modular units perform monitoring and control and supervise virtual copies to facilitate decentralized decisions. Moreover, such units, interconnected at all levels of operation, are required by concepts like adaptive manufacturing and reconfigurable production.
Unfortunately, coupling heterogeneous systems or standards proves to be a challenging task. The domain is so new that system interactions in this interdisciplinary context are not entirely defined, making it hard for the industry to engage in this transition. Besides, each component in such an SoS is designed according to its domain’s standards. Such specificity hardens SoS interoperability and interconnection and affects thus global resilience as well as creating weaknesses, left alone in related applications with a broader deployment such as Smart-Home or Smart-City.
This thesis studies these complex Smart-* systems in terms of performance, under different forms, to identify solution design strategies. Our methodology begins with the study of related literature. Then, it identifies and addresses issues through a combined Design Science Research and Technology Transfer process that instantiates and tests a solution. This process first detects known weaknesses from related literature at distinct architecture levels of an SoS case study. Then, we set up specific industry use cases for each architecture level to examine their presence and severity through experimentation. Next, we assess and improve a designed solution to address these weaknesses and improve resilience at each experiment iteration by evaluating its performance. Finally, the experiment outcomes help define the resulting architecture patterns and models.
The result is a methodology to manage the resilience and weaknesses of modern Smart-* architectures. It detects issues, designs experiments, and tunes an architecture to create a more secure System-of-Systems (security by design).
On the example of a Smart-Lighting infrastructure, we offer a layer-based crossmapping technique to recognize and map weaknesses. Next, we illustrate three use cases’ experiment design and execution. The first use case depicts a process of iterative refinement when deploying and configuring a LoRaWAN infrastructure troubled by coexisting networks and fast-evolving technologies. Next, we show how orchestration addresses the challenges of partial control system migration to a virtualized environment to accommodate the needs of evolving systems.
Finally, we designed a testing framework for legacy systems to prepare them for prospective integration into a Smart-* ecosystem in the last use case. During interaction with three industry partners with different necessities emerged how their understanding of the underlying problem impacts the overall solution development. Accordingly, their varying interest ultimately required an extension of the known technology transfer process.
Negli ultimi anni, la visione di una quarta rivoluzione industriale ha catturato l’attenzione dei ricercatori. Un sistema cyber-fisico (CPS) e l’Internet dei oggetti (IoT) sono due dei principali motori di questa visione. Tali sistemi controllano un Smart-Factory sottostante, interagendo con sensori, attuatori e altri sistemi, dando origine al cosiddetto sistema-di-sistemi (SoS). In particolare, queste unità modulari eseguono il monitoraggio
e il controllo e supervisionano le copie virtuali per facilitare decisioni decentralizzate. Inoltre, tali unità, interconnesse a tutti i livelli di funzionamento, sono richieste da concetti come la produzione adattiva e la produzione riconfigurabile.
Sfortunatamente, l’accoppiamento di sistemi o standard eterogenei si rivela un compito impegnativo. Il dominio è così nuovo che le interazioni di sistema in questo contesto interdisciplinare non sono completamente definite, rendendo difficile per l’industria impegnarsi in questa transizione. Inoltre, ogni componente in un tale SoS è progettato secondo gli standard del proprio dominio. Tale specificità rende difficile l’interoperabilità e l’interconnessione dei SoS. Essa influisce quindi sulla resilienza globale, oltre a creare debolezze, peggiorando ulteriormente per applicazioni correlate soggette a una diffusione più ampia, come Smart-Home o Smart-City.
Questa tesi studia questi sistemi complessi Smart-* in termini di performance, sotto diverse forme, per identificare strategie per il design di soluzioni. La nostra metodologia inizia con lo studio della letteratura correlata. Poi, identifica e affronta i problemi attraverso un processo combinato di Design Science Research e Technology Transfer che istanzia e testa una soluzione. Questo processo rileva prima le debolezze conosciute dalla letteratura correlata di un caso d’uso SoS ai vari livelli di architettura. Poi, impostiamo casi d’uso industriali specifici per ogni livello di architettura per esaminare attraverso la sperimentazione la loro presenza e gravit`a. Successivamente, valutiamo e miglioriamo una soluzione progettata per affrontare queste debolezze e migliorare la resilienza valutando le sue prestazioni a ogni iterazione dell’esperimento. Infine, i risultati dell’esperimento aiutano a definire i modelli e gli schemi di architettura risultanti.
Il risultato è una metodologia per gestire la resilienza e le debolezze delle moderne architetture Smart-*. Rileva i problemi, progetta esperimenti e mette a punto un’architettura per creare un sistema di sistemi più sicuro (security by design). Tramite l’esempio di un’infrastruttura Smart-Lighting, offriamo una tecnica di cross-mapping basata su livelli architettonici per riconoscere e mappare i punti deboli. Successivamente, illustriamo la progettazione e l’esecuzione di tre casi d’uso. Il primo caso d’uso descrive un processo di perfezionamento iterativo per l’implementazione e la configurazione di un’infrastruttura LoRaWan, afflitta da reti coesistenti e tecnologie in rapida evoluzione. Successivamente, mostriamo come l’orchestrazione affronta le sfide della migrazione parziale del sistema di controllo in un ambiente virtualizzato per soddisfare le esigenze dei sistemi in evoluzione. Infine, abbiamo progettato un quadro di test per i sistemi legacy per prepararli alla futura integrazione in un ecosistema Smart-* nell’ultimo caso d’uso. Durante l’interazione con tre partner industriali con necessit`a diverse `e emerso come la loro comprensione del problema di fondo abbia un impatto sullo sviluppo complessivo della soluzione. Di conseguenza, il loro diverso interesse ha richiesto alla fine un’estensione del noto processo di trasferimento tecnologico.
In den vergangenen Jahren hat die Vision einer vierten industriellen Revolution die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen. Cyber-physische Systeme (CPS) und das Internet der Dinge (IoT) sind zwei dessen wichtigsten Pfeiler. Sie steuern eine zugrundeliegende Smart-Factory und interagieren mit Sensoren, Aktoren und anderen Systemen und bilden somit so-genannte Systeme-von-Systemen (SoS). Diese modularen Einheiten "ubernehmen insbesondere die Uberwachung und Steuerung, oder die Verwaltung von"
virtuellen Kopien – Digital Twins – zur Erleichterung dezentralisierter Entscheidungen.
Darüber hinaus werden diese auf allen Betriebsebenen miteinander verbunden SoS für Konzepte wie adaptive Fertigung und rekonfigurierbare Produktion benötigt.
Leider erweist sich die Kopplung heterogener Systeme oder Standards als eine schwierige Aufgabe. Der Bereich ist so neu, dass die Systeminteraktionen in diesem interdisziplinären Kontext nicht vollständig definiert sind, was es der Industrie schwer macht, sich auf diesen Ubergang einzulassen. Außerdem wird jede Komponente in einem solchen SoS gemäß den Standards ihres Bereichs entwickelt. Eine solche Spezifität erschwert die Interoperabilität und Verbindung von SoS, und beeinträchtigt somit die globale Belastbarkeit und schafft Schwachstellen, umso mehr in den verwandten Anwendungen mit einem breiteren Einsatzbereich wie Smart-Home oder Smart-City.
In dieser Dissertation werden diese komplexen Smart-* Systeme im Hinblick auf ihre Leistung in verschiedenen Formen untersucht, um Lösungsstrategien zu ermitteln. Unsere Methodik beginnt mit dem Studium der einschlägigen Literatur. Anschließend werden die Probleme durch einen kombinierten Prozess aus Design Science Research und Technologietransfer identifiziert und angegangen, wobei eine Lösung instanziiert und getestet wird. Bei diesem Prozess werden zunächst bekannte Schwachstellen aus der
einschlägigen Literatur auf verschiedenen Architekturebenen eines SoS-Anwendungsfalls ermittelt. Wir stellen für jede Architekturebene spezifische Anwendungsfälle aus der Industrie auf, um deren Vorhandensein und Schweregrad durch Experimente zu untersuchen. Als Nächstes bewerten und verbessern wir entworfene Lösungen, um diese Schwachstellen zu beheben und die Widerstandsfähigkeit durch eine Leistungsbewertung bei jeder Versuchsiteration zu revidieren. Schließlich helfen die Ergebnisse der Experimente bei der Definition der resultierenden Architekturmuster und Modelle.
Das Ergebnis dieses Werks ist eine Methodik zum Umgang mit der Belastbarkeit und den Schwächen moderner Smart-*-Architekturen. Sie identifiziert Probleme, entwirft Experimente und stimmt eine Architektur ab, um ein sichereres System von Systemen zu schaffen (Security by Design). Am Beispiel einer Smart-Lighting-Infrastruktur bieten wir eine schichten-basierte Cross-Mapping-Technik an, um Schwachstellen zu erkennen und zu kartieren. Als Nächstes veranschaulichen wir den Entwurf und die Ausführung von Experimenten in drei Anwendungsfällen. Der erste Fall beschreibt einen Prozess der iterativen Verfeinerung bei der Bereitstellung und Konfiguration einer LoRaWanInfrastruktur, die durch koexistierende Netzwerke und sich schnell entwickelnde Tech4 nologien beeinträchtigt wird. Als Nächstes zeigen wir, wie die Orchestrierung die Herausforderungen einer teilweisen Migration von Steuerungssystemen in eine virtualisierte Umgebung angeht, um den Anforderungen sich entwickelnder Systeme gerecht zu werden. Schließlich im letzten Anwendungsfall haben wir ein Testsystem für Altsysteme entwickelt, um sie auf die künftige Integration in ein smartes Ökosystem vorzubereiten. ¨
Bei der Interaktion mit drei Industriepartnern mit unterschiedlichen Bedürfnissen wurde deutlich, wie sich deren Verständnis des zugrunde liegenden Problems auf die Entwicklung der Gesamtlösung auswirkt. Dementsprechend erforderte ihr variierendes Interesse letztlich eine Erweiterung des bekannten Technologietransferprozesses.