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Cyber-physische Systeme

Cyber-physische Systeme (CPS) erlauben eine Kopplung und Koordination von Rechenleistung und biologischen bzw. mechanischen Elementen über eine Kommunikationsinfrastruktur wie bspw. das Internet. Durch die Einbindung von Sensoren und Aktuatoren in ein Gesamtsystem stellen CPS neuartige Systemfunktionen in Echtzeit für die Informations-, Daten-, und Funktionsintegration zur Verfügung

Definition und Eigenschaften von CPS

Aufbauend auf dem Konzept des Internet der Dinge bezeichnen Cyber-physische Systeme (CPS) die Kopplung von physischen, biologischen und/ oder bautechnischen Komponenten, die über eine Recheneinheit integriert, gemonitort und/ oder gesteuert werden. Integraler Bestandteil sind dabei informations- und softwaretechnischen Komponenten mit mechanischen bzw. elektronischen Bestandteilen, die über eine Kommunikationsinfrastruktur wie bspw. das Internet in Echtzeit miteinander kommunizieren. Es handelt sich dabei um große, komplexe Systeme, die vollintegriert logische Berechnungen und physische Aktionen aufeinander abstimmen. Dies erlaubt in bisher nicht dagewesenem Umfang die Integration bzw. Kombination von Daten, Informationen und Funktionalität für die Überwachung und Steuerung von Anlagen. CPS können dabei weitestgehend automatisiert und autonom agieren. Die Kontrolle und Steuerung findet i.d.R. positionsunabhängig statt, die Wahrnehmung und Ausübung von Funktionen ist dennoch immer auf den jeweiligen Kontext angepasst.

Die mechanischen bzw. elektronischen Teile eines CPS werden über sogenannte eingebettete Systeme realisiert, die mittels Sensoren ihre lokale Umwelt wahrnehmen und über Aktuatoren die physische Umwelt beeinflussen können. Diese Komponenten können dabei kabelgebunden oder drahtlos über ein Intranet oder das Internet mit einem Backend kommunizieren, welches Software-Funktionalität oder auch nur reine Rechen- oder Speicherkapazität im gewünschten Umfang bspw. über eine Cloud-Architektur zur Verfügung stellt. Die Interaktion von Mensch und CPS findet über multi-modale Schnittstellen entweder an der physischen Komponente selbst oder über eine GUI statt, die bspw. mittels eines Internet Browsers abgerufen werden kann..

Einsatzgebiete von CPS

Einsatzgebiete von CPS finden sich überall dort, wo hochkomplexe, physische Systeme durch die Kommunikation mit der virtuellen, digitalen Welt verbessert werden können. Sie liefern damit die Basis für Produkt-Service-Systeme, die Dienstleistungen für technische Produkte, sogenannte Smart Services, liefern.

Viel diskutierte Anwendungsgebiete finden sich in der industriellen Prozess- und Produktionssteuerung (Industrie 4.0/ Smart Factory) und dem Energieversorgungsmanagement (Smart Grid). Weitere Anwendungsbereiche sind die Verkehrssteuerung und Fahrassistenz (Smart Mobility), die Nutzung medizinischer Geräte (Smart Health/ E-Health) und alters- bzw. behindertengerechnete Assistenzsysteme.

Im Kern geht es oft darum, dass (teil-)autonome Agenten Mikroprozesse ausführen, um einen Mehrwert zu schaffen. Die Planung und Koordination von CPS stellt derzeit für das Prozessmanagement eine Herausforderung dar.

Technologische Grundlagen

Die Basistechnologien für CPS finden sich in verschiedenen Teilgebieten der Informatik: Eingebettete Systeme, ereignisgetriebene Architekturen, Internet-Technologien und Sensor-Netzwerke. Gemein ist allen Teilgebieten, dass es um die Steuerung von Echtzeit-Systemen geht.

Die Steuerung physischer Komponenten eines CPS findet üblicherweise über eingebettete Systeme statt, welche eine autonome Steuerungs- und Reglungs- sowie Überwachungsfunktion übernehmen. Es handelt sich dabei um auf ihre Hardware angepasste bzw. optimierte Systeme, die üblicherweise eine bestimmte Funktionalität ausüben. Beispiele finden sich in allen Bereichen des Lebens vom Wecker über das Bürotelefon bis hin zum Fernseher.

In der Vergangenheit hat lediglich die lokale Kopplung in geschlossenen, komplexen Systemen wie bspw. einem Auto oder Flugzeug stattgefunden. Es fand jedoch keine umfassende Vernetzung eingebetteter Systeme statt. Durch die Verbindung mit Internet-Technologien zur Kommunikation wie bspw. mit TCP/IP können diese Systeme miteinander sowie mit nicht-physischen Komponenten, die reine Rechenleistung und Softwarefunktionalität zur Verfügung stellen, weltweit kommunizieren.

Die physische Wahrnehmung von CPS findet über Sensoren oder Sensor-Netzwerke statt, die bspw. mittels Events (Ereignissen) in Echtzeit Daten zur Verfügung stellen. Events in einer solchen ereignisgetriebenen Architektur können bspw. mittels Complex Event Processing verarbeitet, analysiert und ausgewertet werden.

Literatur

Bruns, Ralf; Dunkel, Jürgen: Event-Driven Architecture: Softwarearchitektur für ereignisgesteuerte Geschäftsprozesse. Heidelberg, Springer, 2010.

Geisberger, Eva; Broy, Manfred: agendaCPS: Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems. Berlin, Springer, 2012.

Kopetz, Hermann: Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications. New York, NY, Springer, 2011.

Lee, Edward A.: Cyber-Physical Systems: Are Computing Foundations Adequate? NSF Workshop on Cyber-Physical Systems: Research Motivation, Techniques and Roadmap. Austin, TX, 2006.

Lee, Edward A.: Cyber Physical Systems: Design Challenges. Technical Report No. UCB/EECS-2008-8 University of California, Berkeley, CA, 2008.

Weiser, M.: The Computer for the 21st Century. Scientific America 265, 94-104, 1991.

 

Autor


 Christian Janiesch Portrait

Prof. Dr. Christian Janiesch, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Juniorprofessur für Information Management, Josef-Stangl-Platz 2, 97070 Würzburg

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Zuletzt bearbeitet: 08.09.2017 13:22
Letzter Abruf: 19.10.2017 10:57
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