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Aktuelle ökonomische Trends, wie die zunehmende Globalisierung und die wachsende Technisierung und Individualisierung vieler Konsumgüter, führen im Hinblick auf die zur Fertigung dieser Güter eingesetzte Automatisierungstechnik zu steigender Komplexität und hohen Flexibilitätsanforderungen. Ein Konzept zur Adressierung dieser Anforderungen ist die Auslegung von automatisierten Anlagen als modulares System flexibel kombinierbarer cyber-physischer Komponenten. Die namensgebende Einheit von mechatronischem Bauteil und lokaler Rechenkapazität ermöglicht Herstellern solcher Komponenten, Softwarebausteine für typische Steuer-, Bedien- oder Diagnoseaufgaben gebrauchsfertig vorzubereiten und so den (Re-)Engineeringaufwand bei der (Um-)Gestaltung des Gesamtsystems deutlich zu reduzieren. Allerdings stellt diese Vision hohe Ansprüche an die zugrundeliegende Softwarearchitektur, die von den derzeit zur Realisierung automatisierter Systeme eingesetzten Technologien nicht vollständig erfüllt werden. Das Paradigma der Agentenorientierung ist ein tragfähiger Ansatz zur Realisierung solcher lose gekoppelten verteilten Systeme und stellt durch leistungsfähige Interaktionsmechanismen sowie die enge Integration von semantischem Wissen zusätzliche Funktionalität in Aussicht: Als Agenten ausgelegte Komponenten könnten auch die logische Vernetzung untereinander während der Inbetriebnahme, nach Umrüstungen oder in Reaktion auf Betriebsstörungen teilweise selbst übernehmen. Dadurch ergeben sich Fähigkeiten wie Selbstkonfiguration und Selbstregeneration, die in der Fachliteratur unter dem Begriff Self-X zusammengefasst werden. Die fehlende Echtzeitfähigkeit, insbesondere in Bezug auf besagte Interaktionsmechanismen, hat jedoch bisher die Einsetzbarkeit von Agentensystemen in der Automatisierung limitiert und die Ausschöpfung der genannten Potentiale behindert. Deshalb wird in dieser Dissertation eine echtzeitfähige Laufzeitumgebung für Softwareagenten entworfen und anschließend die Überarbeitung bestehenden Kommunikationsmechanismen im Hinblick auf ihre Echtzeitfähigkeit vorgenommen. In diesem Kontext wird mit dem Konzept der semantischen Adressierung eine vielfältig einsetzbare Möglichkeit geschaffen, Nachrichten an ausgewählte Gruppen von Agenten mit bestimmten, semantisch beschriebenen Eigenschaften zur verschicken. Die dabei zur Wissensrepräsentation genutzten Taxonomie-Bäume bieten ein für viele Aufgabenstellungen ausreichendes Maß an Ausdrucksstärke und erlauben zudem die Verarbeitung unter harten Echtzeitbedingungen. Abschließend werden die geschaffenen Mechanismen in einem Antwortzeitmodell abgebildet, mit dem das rechtzeitige Reagieren eines Agentensystems auf lokal oder verteilt zu behandelnde Ereignisse überprüft und nachgewiesen werden kann. Damit wird ein Hauptkritikpunkt von Agentensystemen adressiert, was zu einer nachhaltigen Steigerung der Akzeptanz des Agentenparadigmas führen könnte. Während große Teile der erarbeiten Lösung als allgemeingültige Grundlagenforschung verstanden werden können, wird bei der Formulierung von Anforderungen, der Darstellung von Beispielen und der Erläuterung von Entwurfsentscheidungen immer wieder auf automatisierungstechnische Belange Bezug genommen. Außerdem wird am Ende der Arbeit eine kritische Bewertung der Ergebnisse vor dem Hintergrund eines möglichen Einsatzes in zukünftigen Automatisierungssystemen durchgeführt und damit das Gesamtbild abgerundet.

Background Critical illness myopathy (CIM) and polyneuropathy (CIP) are a common complication of critical illness. Both cause intensive-care-unit-acquired (ICU-acquired) muscle weakness (ICUAW) which increases morbidity and delays rehabilitation and recovery of activities of daily living such as walking ability. Focused physical rehabilitation of people with ICUAW is, therefore, of great importance at both an individual and a societal level. A recent systematic Cochrane review found no randomised controlled trials (RCT), and thus no supporting evidence, for physical rehabilitation interventions for people with defined CIP and CIM to improve activities of daily living. Therefore, the aim of our study is to compare the effects of an additional physiotherapy programme with systematically augmented levels of mobilisation with additional in-bed cycling (as the parallel group) on walking and other activities of daily living.

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Aktuelle ökonomische Trends, wie die zunehmende Globalisierung und die wachsende Technisierung und Individualisierung vieler Konsumgüter, führen im Hinblick auf die zur Fertigung dieser Güter eingesetzte Automatisierungstechnik zu steigender Komplexität und hohen Flexibilitätsanforderungen. Ein Konzept zur Adressierung dieser Anforderungen ist die Auslegung von automatisierten Anlagen als modulares System flexibel kombinierbarer cyber-physischer Komponenten. Die namensgebende Einheit von mechatronischem Bauteil und lokaler Rechenkapazität ermöglicht Herstellern solcher Komponenten, Softwarebausteine für typische Steuer-, Bedien- oder Diagnoseaufgaben gebrauchsfertig vorzubereiten und so den (Re-)Engineeringaufwand bei der (Um-)Gestaltung des Gesamtsystems deutlich zu reduzieren. Allerdings stellt diese Vision hohe Ansprüche an die zugrundeliegende Softwarearchitektur, die von den derzeit zur Realisierung automatisierter Systeme eingesetzten Technologien nicht vollständig erfüllt werden. Das Paradigma der Agentenorientierung ist ein tragfähiger Ansatz zur Realisierung solcher lose gekoppelten verteilten Systeme und stellt durch leistungsfähige Interaktionsmechanismen sowie die enge Integration von semantischem Wissen zusätzliche Funktionalität in Aussicht: Als Agenten ausgelegte Komponenten könnten auch die logische Vernetzung untereinander während der Inbetriebnahme, nach Umrüstungen oder in Reaktion auf Betriebsstörungen teilweise selbst übernehmen. Dadurch ergeben sich Fähigkeiten wie Selbstkonfiguration und Selbstregeneration, die in der Fachliteratur unter dem Begriff Self-X zusammengefasst werden. Die fehlende Echtzeitfähigkeit, insbesondere in Bezug auf besagte Interaktionsmechanismen, hat jedoch bisher die Einsetzbarkeit von Agentensystemen in der Automatisierung limitiert und die Ausschöpfung der genannten Potentiale behindert. Deshalb wird in dieser Dissertation eine echtzeitfähige Laufzeitumgebung für Softwareagenten entworfen und anschließend die Überarbeitung bestehenden Kommunikationsmechanismen im Hinblick auf ihre Echtzeitfähigkeit vorgenommen. In diesem Kontext wird mit dem Konzept der semantischen Adressierung eine vielfältig einsetzbare Möglichkeit geschaffen, Nachrichten an ausgewählte Gruppen von Agenten mit bestimmten, semantisch beschriebenen Eigenschaften zur verschicken. Die dabei zur Wissensrepräsentation genutzten Taxonomie-Bäume bieten ein für viele Aufgabenstellungen ausreichendes Maß an Ausdrucksstärke und erlauben zudem die Verarbeitung unter harten Echtzeitbedingungen. Abschließend werden die geschaffenen Mechanismen in einem Antwortzeitmodell abgebildet, mit dem das rechtzeitige Reagieren eines Agentensystems auf lokal oder verteilt zu behandelnde Ereignisse überprüft und nachgewiesen werden kann. Damit wird ein Hauptkritikpunkt von Agentensystemen adressiert, was zu einer nachhaltigen Steigerung der Akzeptanz des Agentenparadigmas führen könnte. Während große Teile der erarbeiten Lösung als allgemeingültige Grundlagenforschung verstanden werden können, wird bei der Formulierung von Anforderungen, der Darstellung von Beispielen und der Erläuterung von Entwurfsentscheidungen immer wieder auf automatisierungstechnische Belange Bezug genommen. Außerdem wird am Ende der Arbeit eine kritische Bewertung der Ergebnisse vor dem Hintergrund eines möglichen Einsatzes in zukünftigen Automatisierungssystemen durchgeführt und damit das Gesamtbild abgerundet.

The ongoing effort for an efficient, sustainable, and automated interaction between humans, machines, and our environment will make cyber-physical systems (CPS) an integral part of the industry and our daily lives. At their core, CPS integrate computing elements, communication networks, and physical processes that are monitored and controlled through sensors and actuators. New and innovative applications become possible by extending or replacing static and expensive cable-based communication infrastructures with wireless technology. The flexibility of wireless CPS is a key enabler for many envisioned scenarios, such as intelligent factories, smart farming, personalized healthcare systems, autonomous search and rescue, and smart cities. High dependability, efficiency, and adaptivity requirements complement the demand for wireless and low-cost solutions in such applications. For instance, industrial and medical systems should work reliably and predictably with performance guarantees, even if parts of the system fail. Because emerging CPS will feature mobile and battery-driven devices that can execute various tasks, the systems must also quickly adapt to frequently changing conditions. Moreover, as applications become ever more sophisticated, featuring compact embedded devices that are deployed densely and at scale, efficient designs are indispensable to achieve desired operational lifetimes and satisfy high bandwidth demands. Meeting these partly conflicting requirements, however, is challenging due to imperfections of wireless communication and resource constraints along several dimensions, for example, computing, memory, and power constraints of the devices. More precisely, frequent and correlated message losses paired with very limited bandwidth and varying delays for the message exchange significantly complicate the control design. In addition, since communication ranges are limited, messages must be relayed over multiple hops to cover larger distances, such as an entire factory. Although the resulting mesh networks are more robust against interference, efficient communication is a major challenge as wireless imperfections get amplified, and significant coordination effort is needed, especially if the networks are dynamic. CPS combine various research disciplines, which are often investigated in isolation, ignoring their complex interaction. However, to address this interaction and build trust in the proposed solutions, evaluating CPS using real physical systems and wireless networks paired with formal guarantees of a system’s end-to-end behavior is necessary. Existing works that take this step can only satisfy a few of the abovementioned requirements. Most notably, multi-hop communication has only been used to control slow physical processes while providing no guarantees. One of the reasons is that the current communication protocols are not suited for dynamic multi-hop networks. This thesis closes the gap between existing works and the diverse needs of emerging wireless CPS. The contributions address different research directions and are split into two parts. In the first part, we specifically address the shortcomings of existing communication protocols and make the following contributions to provide a solid networking foundation: • We present Mixer, a communication primitive for the reliable many-to-all message exchange in dynamic wireless multi-hop networks. Mixer runs on resource-constrained low-power embedded devices and combines synchronous transmissions and network coding for a highly scalable and topology-agnostic message exchange. As a result, it supports mobile nodes and can serve any possible traffic patterns, for example, to efficiently realize distributed control, as required by emerging CPS applications. • We present Butler, a lightweight and distributed synchronization mechanism with formally guaranteed correctness properties to improve the dependability of synchronous transmissions-based protocols. These protocols require precise time synchronization provided by a specific node. Upon failure of this node, the entire network cannot communicate. Butler removes this single point of failure by quickly synchronizing all nodes in the network without affecting the protocols’ performance. In the second part, we focus on the challenges of integrating communication and various control concepts using classical time-triggered and modern event-based approaches. Based on the design, implementation, and evaluation of the proposed solutions using real systems and networks, we make the following contributions, which in many ways push the boundaries of previous approaches: • We are the first to demonstrate and evaluate fast feedback control over low-power wireless multi-hop networks. Essential for this achievement is a novel co-design and integration of communication and control. Our wireless embedded platform tames the imperfections impairing control, for example, message loss and varying delays, and considers the resulting key properties in the control design. Furthermore, the careful orchestration of control and communication tasks enables real-time operation and makes our system amenable to an end-to-end analysis. Due to this, we can provably guarantee closed-loop stability for physical processes with linear time-invariant dynamics. • We propose control-guided communication, a novel co-design for distributed self-triggered control over wireless multi-hop networks. Self-triggered control can save energy by transmitting data only when needed. However, there are no solutions that bring those savings to multi-hop networks and that can reallocate freed-up resources, for example, to other agents. Our control system informs the communication system of its transmission demands ahead of time so that communication resources can be allocated accordingly. Thus, we can transfer the energy savings from the control to the communication side and achieve an end-to-end benefit. • We present a novel co-design of distributed control and wireless communication that resolves overload situations in which the communication demand exceeds the available bandwidth. As systems scale up, featuring more agents and higher bandwidth demands, the available bandwidth will be quickly exceeded, resulting in overload. While event-triggered control and self-triggered control approaches reduce the communication demand on average, they cannot prevent that potentially all agents want to communicate simultaneously. We address this limitation by dynamically allocating the available bandwidth to the agents with the highest need. Thus, we can formally prove that our co-design guarantees closed-loop stability for physical systems with stochastic linear time-invariant dynamics.:Abstract Acknowledgements List of Abbreviations List of Figures List of Tables 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Application Requirements 1.3 Challenges 1.4 State of the Art 1.5 Contributions and Road Map 2 Mixer: Efficient Many-to-All Broadcast in Dynamic Wireless Mesh Networks 2.1 Introduction 2.2 Overview 2.3 Design 2.4 Implementation 2.5 Evaluation 2.6 Discussion 2.7 Related Work 3 Butler: Increasing the Availability of Low-Power Wireless Communication Protocols 3.1 Introduction 3.2 Motivation and Background 3.3 Design 3.4 Analysis 3.5 Implementation 3.6 Evaluation 3.7 Related Work 4 Feedback Control Goes Wireless: Guaranteed Stability over Low-Power Multi-Hop Networks 4.1 Introduction 4.2 Related Work 4.3 Problem Setting and Approach 4.4 Wireless Embedded System Design 4.5 Control Design and Analysis 4.6 Experimental Evaluation 4.A Control Details 5 Control-Guided Communication: Efficient Resource Arbitration and Allocation in Multi-Hop Wireless Control Systems 5.1 Introduction 5.2 Problem Setting 5.3 Co-Design Approach 5.4 Wireless Communication System Design 5.5 Self-Triggered Control Design 5.6 Experimental Evaluation 6 Scaling Beyond Bandwidth Limitations: Wireless Control With Stability Guarantees Under Overload 6.1 Introduction 6.2 Problem and Related Work 6.3 Overview of Co-Design Approach 6.4 Predictive Triggering and Control System 6.5 Adaptive Communication System 6.6 Integration and Stability Analysis 6.7 Testbed Experiments 6.A Proof of Theorem 4 6.B Usage of the Network Bandwidth for Control 7 Conclusion and Outlook 7.1 Contributions 7.2 Future Directions Bibliography List of Publications

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