14 December 2006

Op 20 december presenteren Esi en Océ de resultaten van Boderc, het eerste project van het onderzoeksinstituut met een industriële partner. Tegenover Bits&Chips lichten ze alvast een tipje van de sluier op. ’Het concept van de industrie als laboratorium werkt, zowel voor het bedrijfsleven als voor de academische wereld‘, stelt Ed Brinksma van Esi. ’Boderc heeft modelgebaseerd embedded-ontwerp bij ons op de kaart gezet‘, concludeert Ron Notermans van Océ.

’Tot 2000 was de ontwikkeling van embedded software bij ons vooral een zaak van een paar lokale helden, die hard moesten rennen om het net goed te krijgen‘, vertelt Ron Notermans, vicepresident R&D Controllers & Software bij Océ. ’Die lokale helden komen een heel end om het systeem op onderdelen goed te laten functioneren‘, zegt Ed Brinksma, wetenschappelijk directeur van het Embedded Systems Institute (Esi). ’Maar de algemene boodschap was, en is nog steeds: de componenten doen het prima, maar het systeem werkt niet, of suboptimaal.‘ ’En bij ons betekent dat meestal dat het product er veel later is‘, aldus Notermans. ’De bekende combinatie van over time, over budget en underperforming‘, parafraseert Brinksma.

Rond 2000 begint Océ multidisciplinair hard aan de weg te timmeren. Niet veel later ziet Esi het levenslicht. De twee vinden elkaar in Boderc, het eerste grootschalige project van het Eindhovense onderzoeksinstituut met een industriële partner. ’Het was de combinatie van Esi dat van de grond wilde komen en Océ dat multidisciplinair een stap verder wilde‘, beschrijft Notermans de aanleiding voor de samenwerking.

Op 17 oktober 2002 klinkt het startschot voor Beyond the Ordinary: Design of Embedded Real-time Control (Boderc). Doel is om één methodiek te ontwikkelen voor het multidisciplinaire ontwerp van ingebedde systemen, ter overbrugging van de kloof tussen elektronica, mechanica en software. Casestudy en motor van het vierjarige project is een machine van Océ. Notermans: ’Uiteindelijk hebben we een nieuwe printer gekozen als ophangpunt voor de samenwerking. Daarin komen heel veel aspecten van multidisciplinair systeemontwerp samen.‘

Brede kapstok

’Als eerste project was dit vreselijk belangrijk voor ons‘, onderstreept Brinksma. ’Esi is geboren vanuit de observatie dat er een kenniskloof is tussen academia en industrie en dat we niet de goede researchinstrumenten gebruiken om die twee aan elkaar te koppelen. Het academische onderzoek heeft maar een heel beperkte schaalgrootte en context. We doen ons best om resultaten neer te leggen, maar er is geen substraat om ze langzaam te laten groeien naar een omvang die het voor de industrie aantrekkelijk maakt om er iets mee te doen. Er was wel kennistransfer, maar die verliep veelal op het niveau van individuele leerstoelen. Samenwerking kon eigenlijk alleen als die precies paste op het specialisme van een leerstoel.‘

 advertorial 

System engineering @ ASML, practices and challenges

During the first online session of the System Architecting Conference, on 25 January, Frank de Lange and Tom Castenmiller (ASML) will address the role of systems engineering and discuss the essences of the roadmapping process, the holistic system design and the product generation process. Register now for free.

’Wat we nodig hadden‘, gaat Brinksma verder, ’was een vorm van grootschalig multidisciplinair onderzoek, waarbij de focus komt vanuit de industriële vraagstelling. Industry as laboratory. Dat is ooit als concept gedropt zonder echt te worden toegepast. Het betekent dat je de specialistische resultaten van de verschillende disciplines combineert, ze opschaalt naar een niveau dat binnen een individuele academische groep niet kan bestaan en kijkt of ze toepasbaar zijn onder industriële constraints. Dat is het laboratoriumexperiment en dat kun je als academische wereld eigenlijk alleen maar doen in samenwerking met de industrie.‘

Ed Brinksma van Esi (links) en Ron Notermans van Océ

’Aan de ene kant had je dus Esi, een gloednieuw instituut dat rondliep met die industrie-als-laboratoriumgedachte en aan de andere kant had je founding partner Océ, dat professionele printers maakt met aardig wat problematiek rond embedded controle op systeemniveau. Dan is de opstelsom snel gemaakt. We hebben toen een projectplan geschreven met als werkhypothese dat we de effort en lead time van productontwikkeling significant konden reduceren door vroeg in het ontwerptraject multidisciplinaire modellen te gebruiken. Dat moest een einde maken aan het fenomeen dat je een systeem zo goed mogelijk in elkaar zet en dat dan pas de problemen beginnen waardoor het eindeloos over tijd raakt.‘

’De eerste formulering was vrij algemeen: multidisciplinair systeembesturingsontwerp‘, bevestigt Notermans. ’Een brede kapstok, die op zich goed het probleemgebied beschrijft. In de eerste fase was het aftasten, van twee kanten zoeken naar de exacte accenten. Wij van Océ hopen op snelle resultaten maar omschrijven de problemen dan eigenlijk te gedetailleerd, terwijl de anderen nog midden in de leercurve zitten waar het domein over gaat. Toen het project zich eenmaal gedefinieerd had, hebben we echter een diepgang kunnen halen die we in ons eentje veel langzamer of minder doelgericht hadden bereikt. De indirecte gevolgen, het effect dat het project heeft op hoe je verder acteert binnen het bedrijf, zijn net zo belangrijk als de directe resultaten.‘

Behalve Océ als trekker waren aanvankelijk ook Alert Automation Services, Chess IT, Philips CFT (nu Applied Technologies) en Turnkiek (nu Imtech ICT) vanuit de industrie betrokken bij Boderc. AAS en Apptech zijn onderweg echter getroffen door reorganisaties, waarna hun focus veranderde en de resultaten voor hen minder bruikbaar werden. Notermans: ’Applied Technologies zat er oorspronkelijk ook bij om het project niet te veel op Océ alleen te laten focussen. De rol om dat in de gaten te houden, heeft Esi overgenomen.‘

’Als Esi zijn we zo met het project mee gegroeid dat we ook duidelijk de generieke elementen eruit hebben kunnen halen‘, zegt Brinksma. ’Daar zit voor ons de meerwaarde. Dit experiment moet kennis opleveren waarmee we de expertise van ons centrum kunnen opbouwen en die we steeds breder kunnen inzetten. Bij andere klanten en andere industrieën, maar ook weer in de vorm van nieuwe vragen voor de academische wereld.‘

Zonder te bouwen

Een van de onderwerpen waar Boderc naar heeft gekeken, is de papierloop in een printer. Voor het ontwerp daarvan hebben de projectpartners de Happy Flow-omgeving ontwikkeld, die het aantal designslagen terugbrengt. ’Traditioneel komen de mechanici het eerst aan bod‘, legt Notermans uit. ’Die hebben een apparaatbeeld, waarin de elektronici vervolgens de actuatoren, de sensoren en de besturing invullen. Dan komt de software nog een keer om het allemaal aan de gang te krijgen. Nu kunnen we met een slag minder toe doordat de softwaremensen niet langer als laatste in de keten alle ellende mogen oplossen, maar parallel aan de gang kunnen. Dat is een partiële teststap die we kunnen doen nog voordat we het totale product integreren.‘

Ook bij Happy Flow is de werktuigbouwer het eerst aan zet. Notermans: ’Die maakt een Cad-tekening van het machineontwerp, met geometrische informatie over de vorm van de papierbaan en over de positie van de aandrijvingen en de sensoren. Die gegevens vormen de input voor onze Matlab-gebaseerde Happy Flow-toolbox. Deze brouwt er een model van, dat we in dezelfde omgeving kunnen simuleren en dan in beeld kunnen brengen. Zo kunnen we bijvoorbeeld de timing van de papierloop, de versnellingen die de vellen krijgen in de baan en hun onderlinge afstand analyseren. In het verleden kon dat alleen door het systeem echt te bouwen.‘

De volgende stap is Software-in-the-loop (Sil). ’Daarbij verruilen we het model voor de echte besturingssoftware, die we ontwikkelen in Rational Rose Realtime‘, vertelt Notermans. ’Met de toolbox kunnen we dan controleren of die gerealiseerde software zich aan de constraints houdt. Niet tot op de kleinste details, zover zijn we nog niet, maar op het hoogste niveau. Als er wat aan de lay-out verandert, hebben we twintig minuten later de eerste high-level check gedaan. Zo kunnen we ook fouten introduceren en zien wat voor gevolgen die hebben voor het systeemgedrag.‘

’Boderc heeft heldere resultaten opgeleverd voor Esi‘, aldus directeur Ed Brinksma. ’De wetenschappelijke output is uitstekend.‘

Volledige codegeneratie is nog toekomstmuziek. ’Een model in een simulatieomgeving, dat is de kern‘, vat Notermans samen. ’Zo kunnen we bijvoorbeeld de timing checken – zonder te bouwen. En als we dan al hebben gebouwd, dan kunnen we in dezelfde omgeving testen zonder dat we hoeven te integreren met de echte elektronica en machinemechanica.‘ ’En dat bespaart rework en daarmee tijd en geld‘, vult Brinksma aan. ’Plus‘, gaat Notermans verder, ’fouten in de besturingssoftware die we voorheen pas op het eind ontdekten, komen nu veel eerder aan het licht.‘

Een ander onderzoeksonderwerp was energiebeheer. ’De printers van Océ hangen weliswaar aan het stopcontact‘, legt Ed Brinksma uit, ’maar ook dan moet je spaarzaam omspringen met energie.‘ Een van de onderdelen waar het zuiniger kan, is motorbesturing. Brinksma: ’Probleem is dat de gebruikte controllers discreet zijn, terwijl de papierpositie een continu signaal is. Als de vellen met hoge snelheid door de machine gaan, moet je dus heel vaak meten. Maar hoogfrequent samplen betekent hoge frequentie in je processoren, wat weer een hoog energieverbruik tot gevolg heeft. Veel slimmer is het om pas te gaan samplen als je weet dat de toestand van het systeem wezenlijk is veranderd. Event-driven control heet dat. Als je dat zou toepassen in de aansturing van je motoren, dan kan dat leiden tot substantiële energiebesparing.‘

Gemeenschappelijk vocabulaire

Papierloop, software-in-the-loop en energiebeheer zijn slechts een paar van de onderwerpen die Boderc onder de loep heeft genomen. Twee andere belangrijke thema‘s voor Océ zijn hardware-in-the-loop en performance. Niet op alle gebieden is evenveel vooruitgang geboekt, erkent Ron Notermans. ’De hele papiermodellering, de Happy Flow, was het meest succesvol en ook het snelst oogstbaar. Er zijn ook onderwerpen waar we nog maar helemaal aan het begin staan. Performancemodellering is er daar een van.‘

Brinksma wijst er op dat dat kan gebeuren bij een experiment. ’Dan kan het zijn dat niet alles even voorspoedig gaat. Soms kan iets misschien wel helemaal niet werken. Dat is geen leuke constatering en natuurlijk altijd slechter verkoopbaar, maar het is wel nuttige informatie. Je moet zorgen dat je een zekere spreiding aan onderwerpen hebt. Dat hebben we bij Boderc gedaan.‘

De kleine vooruitgang op het gebied van performance is volgens de Esi-directeur geen negatief resultaat. ’Performance heeft niet alleen te maken met stabiliteit en nauwkeurigheid van positionering, maar ook met doorloop en controlesoftware die draait op processoren. Elk aspect heeft zijn eigen type model en elk model heeft zijn eigen manier om de prestatie vorm te geven en te optimaliseren. Bij integrale performance, waar wij het over hebben, kun je ook trade-offs hebben: hoeveel accuratesse willen we bijvoorbeeld opofferen aan hoeveel throughput en omgekeerd, en wat kost dat? Dan moet je dus ook in coherentie over de modellen kunnen redeneren. Daar ligt een wetenschappelijke uitdaging. Je hebt technieken binnen disciplines en die moeten over disciplines komen.‘

Minstens zo belangrijk is dat de elektronici, mechanici en softwareontwikkelaars elkaars taal leren spreken. Brinksma: ’Specialisatie geeft je niet alleen diepte, maar ook oogkleppen. En die moet je dan weer weghalen. Eén oplossing is dat we de verschillende vakgebieden telkens weer bij elkaar brengen in projecten zoals Boderc, zodat ze samen kunnen werken, samen resultaten kunnen boeken en steeds beter elkaars begrippen leren kennen. Woorden als ’performance‘, ’platform‘ en ’systeem‘ hebben in verschillende disciplines echt andere betekenissen. Door de drie afzonderlijke gebieden bij elkaar te zetten, moet er een gemeenschappelijk vocabulaire ontstaan, waardoor ze langzaam de identiteit krijgen van één discipline: embedded-systeemengineering.‘

Dat gaat niet van de ene dag op de andere, geeft Brinksma toe. ’De stap van mono- naar multidisciplinair denken heeft bij Boderc behoorlijk wat tijd gekost. De oorspronkelijke gedachte was: dat doen we in de opstartfase, binnen een jaar. Uiteindelijk duurde het tot halverwege het project voordat het gemeenschappelijke begrip er was en we elkaars vakgebied begonnen te waarderen. Dat forceer je niet door te zeggen: vanaf vandaag is het één discipline. Dat heeft tijd nodig. Daarbij moet je denken in generaties. Door multidisciplinaire projecten uit te voeren met industrieën waar deze problematiek speelt, en dat zijn er steeds meer, willen we op langere termijn een gemeenschappelijke cultuur creëren.‘

Een andere belangrijke les was het betrekken van ervaren systeemingenieurs bij het ontwerp. ’We zijn begonnen met het ontleden van een bestaande machine‘, vertelt Notermans. ’Zo hebben de onderzoekers kennis opgebouwd over het domein. Op basis daarvan hebben ze gedetailleerdere probleemformuleringen opgesteld. In een later stadium zijn ook ervaren systeemengineers van Océ gaan meedenken. Samen met hen hebben we meer scherpte aangebracht.‘ ’Senior mensen geven uiteindelijk het gevoel voor verhoudingen‘, vult Brinksma aan.

Notermans wijst erop dat de medaille twee kanten heeft. ’Als je alleen de jonge onderzoekers het werk laat doen, dan krijg je minder focus, maar als je het helemaal overlaat aan de ervaren mannen, dan is het resultaat niet vooruitstrevend genoeg. Daar moet je de balans in zoeken.‘

’De knop is om‘, zegt Ron Notermans van Océ. ’We hebben de waarde van modelgebaseerd werken ontdekt.‘

De knop om

’De ambitie in zo‘n project is eigenlijk ongelooflijk‘, vindt Brinksma. ’Aan de ene kant hebben we te maken met onderzoek waarin aio‘s werken aan hun dissertatie. Die proefschriften moeten een wetenschappelijke waarde hebben die vaak sterk verankerd ligt binnen één enkele discipline. Bovendien moet een promovendus een onderwerp hebben dat toch enige mate van stabiliteit kent over een periode van vier jaar. Aan de andere kant is het een multidisciplinair project. De betrokken industrieën moeten voldoende langetermijnvisie hebben om eraan te beginnen, maar we willen ook niet van ze vragen vier of vijf jaar te wachten totdat hun investering vruchten afwerpt. Wij moeten tijdens een project voortdurend bewijzen op tafel leggen die het gevoel geven dat we op de goede weg zijn.‘

Die spanning tussen de kortetermijnresultaten waar de industrie om vraagt en de langetermijnvisie die de academische wereld verlangt, was volgens Brinksma ook de motor van Boderc. ’Je hebt beide nodig. Aan de ene kant levert de industrie een drive en een focus die je zelden ziet in puur wetenschappelijk onderzoek. Aan de andere kant zorgen de open mind-set van de academische wereld en het enthousiasme van jonge researchers ervoor dat je de gebaande paden af en toe kunt verlaten. De benaderingen verschillen, maar de een kan de ander wel versnellen en inspireren. En dat is precies wat we bij Boderc hebben gezien.‘

’Boderc heeft bewezen dat het concept van industry as laboratory werkt, zowel voor de industrie als voor de onderzoekswereld‘, concludeert Brinksma. ’Tot dusver preekten we hierover wel van de academische kansel, maar het ontbrak aan harde bewijzen. Boderc heeft heldere resultaten opgeleverd voor Océ, zowel direct als indirect, en voor Esi. De wetenschappelijke output is uitstekend, met een aantal mooie proefschriften en verschillende bijdrages op internationale conferenties en in tijdschriften.‘

Notermans stelt dat Boderc modelgebaseerd embedded-ontwerp op de kaart heeft gezet bij Océ. ’In dit project is onze manier van werken echt veranderd. Hoewel we de werkwijze nog moeten uitdragen naar nieuwe projecten, maar dat staat op de agenda, hebben we een deel van de winst al geïncasseerd. In de organisatie merk ik gewoon dat de knop om is, dat we de waarde van modelgebaseerd werken hebben ontdekt.‘

Kennisdisseminatie

Dat smaakt naar meer. ’Er zit nog ontzettend veel in het vat‘, meent Ed Brinksma. ’Samen met Océ hebben we het goede spoor ontdekt door aan te tonen dat je je proces kunt verbeteren met modellering vroeg in het designtraject. Het succes van Happy Flow is dusdanig dat er nu wordt bekeken waar in het ontwerp multidisciplinaire modellering nog meer meerwaarde kan opleveren. Daar is het einde nog niet in zicht. De integratie van de verschillende vakgebieden geeft ook aanleiding tot nieuwe wetenschappelijke vragen, waarvan we verwachten dat we in toekomstige projecten op een vergelijkbare manier doorbraken kunnen realiseren in het praktische designtraject van professionele systemen.‘

Océ zit al midden in de voorbereidingen om de opgedane kennis breder toe te passen binnen het bedrijf, vertelt Notermans. ’Happy Flow en software-in-the-loop gebruiken we al in de printer die de drager is van Boderc. Dat is een mooie eerste opstap, maar er is meer adem nodig om echt verder te komen. Daarom zijn we nu met een aantal van onze Boderc-mensen een nieuw project aan het uitwerken op het complexe gebied van kleur. Met hun inbreng willen we daar gaan oogsten op thema‘s als performance, slimme apparaten en systeemgeneratie.‘

Daarnaast zijn Esi en Océ druk in gesprek om hun samenwerking een vervolg te geven. ’De planning is dat we in het voorjaar van 2007 met een nieuw project beginnen‘, meldt Brinksma. ’Dat zijn we nu aan het definiëren.‘ De focus zal waarschijnlijk liggen op onderwerpen die Boderc niet of onvoldoende heeft getoucheerd, zoals prestatiemodellering. ’Verder kun je denken aan een verdieping van multidisciplinair ontwerpen‘, aldus Notermans. ’Op dat gebied valt ook nog veel te halen.‘

Maar de partners willen niet alleen ’van projectje naar projectje springen‘, zoals ze het noemen. Brinksma: ’Met Océ als een van de eerste aanbesteders, en in zekere zin ook met ASML, zit Esi nu in de volgende fase. Allemaal zijn we ingestapt als pioniers en vier jaar verder hebben we de eerste resultaten, die onder de streep zeer bevredigend zijn. Wij als Esi willen nu van een incidentele samenwerking naar een samenwerking op lange termijn. Dat betekent dat we onze researchagenda afstemmen op de roadmap van onze industriële partners. We zijn al een aantal keren bijeengeweest om die gemeenschappelijke visie vorm te geven.‘

Behalve over gezamenlijk onderzoek en een bovenliggend langetermijnkader praten Esi en Océ ook over de uitwisseling van kennis onder het projectniveau. ’Kennisdisseminatie‘, noemt Brinksma dat. ’De kennis die nodig is om de resultaten productief te kunnen verwerken, moet je uitzetten binnen het bedrijf. Als we multidisciplinair willen werken en vroeg in het ontwerp van printers multidisciplinaire modellen en tools willen inzetten, dan moeten we er ook voor zorgen dat mensen de kennis hebben om die te gebruiken.‘