Kostengetriebener Entwurf drahtloser Sensornetzwerke: Ganzheitliche Entwurfsmethodik zur Kostenoptimierung

Drahtlose Sensornetzwerke stellen sehr komplexe Systeme mit einer großen Bandbreite an Realisierungsmöglichkeiten dar. Zur Abbildung der Kostenstrukturen werden daher Modelle erforderlich, die den Entwickler bei der Identifikation der Kostentreiber unterstützen. Ein Kernelement zur hier vorgeschlagenen Kostenoptimierung von drahtlosen Sensornetzwerken bilden die erarbeiteten Kostenmodelle, auf deren Basis die Aufwände zur Entwicklung und Fertigung sowie für verschiedene Systemkomponenten abzuschätzen sind. Dabei wird die Detailtiefe der Modellierung im Entwicklungsprozess geeignet angepasst, indem in der Konzeptionsphase zunächst grobe Kostenmodelle mit wenigen Eingabeparametern verwendet werden. In den späteren Entwurfsphasen sind die Modelle der kostentreibenden Elemente immer weiter zu verfeinern, um den Schätzfehler bei der Kostenbewertung von Realisierungsvarianten abzusenken. Zur rationalen Entscheidungsfindung der kostengünstigsten Sensornetzwerkimplementierung wurde ein Entwurfswerkzeug entwickelt. Durch die Einbindung der erarbeiteten Kostenmodelle kann der Entwickler die Kostenstrukturen verschiedener Optionen untersuchen, um die zweckmäßigste Systemarchitektur und geeignete Fertigungstechnologien auszuwählen. Während in der Vergangenheit eine Kostenoptimierung zumeist monokriteriell erfolgte, indem man alle kostenrelevanten Einflussgrößen monetär gewichtete und dann die Gesamtkosten minimierte, fiel hier die Wahl auf einen multikriteriellen Ansatz. Dadurch können kostenrelevante Kriterien von der Entwicklungsdauer bis zur Fertigungskomplexität bei der Ermittlung von besonders vorteilhaften Realisierungsvarianten berücksichtigt werden, ohne dass bei der Lösungssuche alle Kenntnisse zur Quantifizierung der resultierenden Kosten vorhanden sein müssen. Dazu wurden evolutionäre Algorithmen implementiert, um auf der Basis von Pareto-Fronten die kosteneffizienten Sensornetzwerkoptionen zu ermitteln. Im Ergebnis konnte ein Entwurfswerkzeug realisiert werden, was den Entwickler bei der Kostenoptimierung von Sensornetzwerken unterstützt. Somit ist der Anwender in der Lage, die weiteren Optimierungsschwerpunkte während des gesamten Kostenoptimierungsprozesses adäquat festzulegen. Die Verifikation der erarbeiteten Kostenmodelle und des implementierten Entwurfswerkzeuges war im praktischen Einsatz sehr erfolgreich. Am Beispiel von Sensornetzwerken für die Maschinenüberwachung konnten wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden, welche Technologiealternativen in der heutigen Kostensituation sich für bestimmte Szenarien besonders eignen. Zur Kostenoptimierung von Sensornetzwerken, die nur moderate Stückzahlen für Nischenanwendungen erfordern, konnten durch entsprechende Untersuchungen Strategien zur Minimierung der Fertigungsaufwände bei universellen sowie modularen Sensorknoten abgeleitet werden. Weiterhin wurden die aktuellen Kostenschranken für sehr einfache Sensornetzwerkarchitekturen bestimmt. Eine Übertragung der hier erarbeiteten Methoden zur Kostenoptimierung auf ähnliche Systemklassen, wie besonders kosteneffiziente Funkmodule und digitale Sensormodule, ist mit überschaubarem Aufwand möglich. Für eine ganzheitliche Optimierung drahtloser Sensornetzwerke ist zu erwarten, dass zukünftig Erweiterungen zur Berücksichtigung diverser Systemparameter - beispielsweise durch Kopplung der Kostenmodelle mit Zuverlässigkeitsmodellen - zu einem wichtigen Forschungsthema werden