Johannes Koch

• This dissertation presents a novel approach to the model-based development and simulation-based validation of Internet of Things (IoT) infrastructures within the context of Cyber-Physical Energy Systems (CPES). CPES represents an evolution in energy management, seamlessly blending physical and cyber components for efficient, secure, and dependable energy distribution. However, the intricate interplay of these components demands innovative modeling and simulation strategies. The work begins by establishing a robust foundation, exploring essential background elements such as requirements engineering, model-based systems engineering, digitalization approaches, and the intricacies of IoT platforms. It introduces the novel concept of homomorphic encryption, a critical enabler for securing IoT data within CPES. In the exploration of the state of the art, the dissertation delves into the multifaceted landscape of IoT simulation, emphasizing the significance of versatility, community support, scalability, and synchronization. The core contribution emerges in the chapter on simulating IoT networks. It introduces a sophisticated framework that encompasses hardware-in-the-loop, software-in-the-loop, and human-in-the-loop simulation. This innovative framework extends the boundaries of conventional simulation, enabling holistic evaluations of IoT systems. A practical case study on smart energy usage showcases the application of the framework. Detailed SysML models, including requirements, package diagrams, block definition diagrams, internal block diagrams, state machine diagrams, and activity diagrams, are meticulously examined. The performance evaluation encompasses diverse aspects, from hardware and software validation to human interaction. In conclusion, this dissertation represents a significant leap forward in the integration of IoT infrastructures within CPES. Its contributions extend from a comprehensive understanding of foundational elements to the practical implementation of a holistic simulation framework. This work not only addresses the current challenges but also outlines a path for future research, shaping the landscape of IoT integration within the dynamic realm of CPES. It offers invaluable insights for researchers, engineers, and stakeholders working towards resilient, secure, and energy-efficient infrastructures.
• Die vorliegende Dissertation präsentiert einen innovativen Ansatz für die Modellierung und Simulation von Internet der Dinge (IoT)-Infrastrukturen in Cyber-Physische Energiesysteme (CPES). CPES verbinden physische und cyberbasierte Komponenten zur effizienten Energieverteilung und sind ein zentraler Baustein für die Energieversorgung der Zukunft. Die Arbeit beginnt mit einer gründlichen Untersuchung des Anforderungsmanagements und des modellbasierten Systems Engineering, um eine solide Grundlage zu schaffen. Sie hebt die wachsende Bedeutung von IoT-Simulationen hervor und stellt die Herausforderungen bei der Modellierung und Simulation von komplexen und skalierbaren IoT-Systemen heraus. Das Forschungsprojekt entwickelt ein neuartiges Framework, das Hardware-in-the-Loop-, Software-in-the-Loop- und Mensch-in-the-Loop-Simulationen ermöglicht. Dieses Framework erlaubt eine umfassende Bewertung von IoT-Systemen, einschließlich Hardwarekomponenten, Softwareintegration und menschlicher Interaktion. Ein zentrales Highlight dieser Arbeit ist eine tiefgehende Fallstudie zur intelligenten Energieverwendung. Diese Fallstudie umfasst umfangreiche SysML-Modelle, die detailliert evaluiert werden. Dabei werden Leistungstests für Hardware und Software durchgeführt und menschliche Interaktionen in die Simulation integriert. Die Dissertation trägt nicht nur zur nahtlosen Integration von IoT-Infrastrukturen in CPES bei, sondern bietet auch wertvolle Erkenntnisse für Forscher und Ingenieure, die an sicheren und energieeffizienten Infrastrukturen arbeiten. Die entwickelten Modelle und das Framework haben das Potenzial, die Entwicklung und Integration von IoT-Systemen erheblich zu verbessern und die Entstehung der nächsten Generation von CPES zu fördern. Dieser Forschungsbeitrag ebnet den Weg für zukünftige Innovationen im Bereich der Energieversorgung und des Internet der Dinge.