Cyber-physische Systeme

VIERNULL.blog | Cyber-physische Systeme (Cyber-physical systems, CPS)

Die in den Artikeln dieser Serie vorgestellten Technologiebereiche (Big Data und Internet of Things) verschmelzen im Rahmen von Industrie 4.0 zusammen mit den bereits existierenden mechanischen und elektronischen Komponenten moderner Maschinen und Anlagen zu sogenannten Cyber-physischen Systeme (Cyber-physical systems, CPS). 

 

Als CPS kann zunächst jedwede Komponente gelten, die einen zielgerichteten und klaren Zeitanforderungen genügenden Zugriff auf physische Sensoren und Aktoren erlaubt, in der Lage ist mit anderen Systemen (oder auch mit Menschen) zu kommunizieren und eigene Fähigkeiten zur Berechnung mitbringt. 

Cyber-physische Systeme (Cyber-physical systems, CPS)

 

Ein wichtiges Unterscheidungskriterium zu den heutzutage typischen mechatronischen Systemen ist dabei die Nichtlokalität eines CPS. Teilsysteme können sich an unterschiedlichen physikalischen Orten befinden oder sogar nur in Form rein virtueller Softwaresysteme vorhanden sein. Rechenkapazitäten liegen nicht nur in Mikrokontrollern und eingebetteten Prozessoren, sondern auch, gerade für komplexere Aufgaben, in Rechenzentren sowie in Subsystemen deren primäre Aufgabe die Interaktion mit dem menschlichen Benutzer ist. 

Klar herauszustellende Eigenschaften eines CPS sind einerseits seine Multifunktionalität, welche vor allem durch die hohe Modularität seiner Teilkomponenten, die flexibel in verschiedene Einsatzszenarien kombiniert und angebunden werden können, garantiert wird. Andererseits ist auch der Faktor der Autonomität eines solchen Systems zu nennen – ein CPS ist idealerweise in der Lage eigenständig ohne zentrale, kontrollierende Instanz zu funktionieren und dynamisch mit den Systemen zu kommunizieren, deren Informationen es zur Erledigung seiner eigenen Aufgaben benötigt. 

Natürlich birgt der praktische Einsatz von cyber-physischen Systemen einige Herausforderungen. Die durch das kommunikationsintensive Zusammenspiel vieler unterschiedlicher Komponenten und die hohe Datendichte entstehende Komplexität muss durch optimal auf den Anwender zugeschnittene Benutzungsschnittstellen wieder reduziert werden, damit eine Verwendung überhaupt möglich ist. Klassische Oberflächen und Touchscreens kommen in solchen Fällen heute bereits oft an ihre Grenzen - neue Technologien wie Augmented- und Virtual-Reality oder die Integration haptischer Bedienelemente können hier wirkungsvolle Alternativen sein. 

Auch die Zuverlässigkeit eines CPS stellt in der Praxis zurzeit manchmal noch ein Problem dar. Dies betrifft insbesondere die hohen Anforderungen an das zeitliche Antwortverhalten eines CPS bis hin zum Echtzeitbetrieb und den für den Langzeitbetrieb wünschenswerten geringen Wartungsaufwand. Autonomie und Softwarezentrierung von cyber-physischen Systemen können helfen, diese Probleme zu lösen. Die Verlagerung von Softwarekomponenten in cloudbasierte Systeme erlaubt es zum Beispiel, redundante und skalierbare Systeme zu schaffen. Dies bedeutet umgekehrt aber auch, dass die Kommunikationssysteme eines CPS besonders ausfallsicher designt werden müssen. Autonomes Verhalten wiederum ermöglicht den Einsatz unter schwierigen physikalischen Voraussetzungen, wo eine zentrale Steuerung (Orchestrierung) eines oder mehrerer CPS nicht möglich oder nicht wünschenswert ist oder eine sporadische Kommunikation mit anderen Systemen ausreicht. 

Der Einsatz von cyber-physischen Systemen stellt ein adäquates Mittel dar, um dem Kostendruck, dem Unternehmen bei der Produktfertigung ausgesetzt sind, entgegen zu wirken. Autonome, intuitiv zu bedienende Systeme besitzen ein geringeres Risiko für Fehlbedienungen, sind robuster und weniger wartungsintensiv. All dies spart nicht nur Kosten ein, sondern erlaubt dem produzierenden Unternehmen auch eine stärkere Ressourcenverlagerung auf den Bereich der Servicegenerierung und –abwicklung und damit der Nutzung neuer Geschäftsmodelle. 

Die Entwicklung eines CPS geht in ihrer Komplexität und ihrem Umfang noch einmal weit über den Bereich hinaus, wie er durch heute übliches System Engineering abgedeckt wird und stellt die beteiligten Mitarbeiter oft vor gänzlich neue Herausforderungen. Neben den klassischen Aufgaben des Mechanical und Electrical Engineering sowie der Embedded-Programmierung wächst zugleich auch mit zunehmender Komplexität der Anteil IT-naher Bereiche wie Virtualisierung und Containerisierung, Kommunikation verteilter Systeme oder User Experience an der Entwicklung neuer Produkte. Dies macht ein konsistentes, alle diese Bereiche abdeckendes digitales Produktmodell bereits für die Produktentwicklung unentbehrlich. 

Neben der Implementierung stellt auch die Sicherheit von cyber-physischen Systemen Anwender und Entwicklungsingenieure vor neue Herausforderungen. Neben rein physischen und mechanischen Sicherheitsmechanismen müssen auch die Softwarekomponenten eines CPS und seine Kommunikationswege hinreichend gegen Cyberattacken abgesichert werden. Nur ein umfassendes Sicherheitskonzept, welches physische und softwaretechnologische Aspekte ganzheitlich betrachtet, führt zu sicheren und damit in der Praxis einsetzbaren Systemen, die das Risiko der Manipulation oder des Datendiebstahls minimieren.