Cyber-Physische Systeme – Grundlagen und Einsatzgebiete

Den Begriff Cyber-Physische Systeme (kurz: CPS) hört man immer wieder in Zusammenhang mit Industrie 4.0 und Internet der Dinge. Aber was genau steckt dahinter und wo können CPS überall eingesetzt werden?

Was genau sind Cyber-Physische Systeme?

Der Zusammenhang von CPS mit Industrie 4.0 und Internet der Dinge, besteht im Grunde genommen nur darin, dass CPS die technische Grundlage dafür darstellen. Es gibt derzeit jedoch zahlreiche Definitionen, die versuchen diesen Begriff einfach und präzise zu beschreiben. Dennoch gibt es keine allgemein anerkannte scharfe Definition.

Der VDI (Verein Deutscher Ingenieure) definiert CPS wie folgt…

„ … Verknüpfung von realen (physischen) Objekten und Prozessen mit Informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze“

(Dr.-Ing. Kurt D. Bettenhausen und Prof. Dr.-Ing. Stefan Kowalewski 2013, S. 2).

Einfach ausgedrückt, ist damit die Verknüpfung von physischen Objekten und Prozessen mit virtuellen Objekten und Prozessen gemeint.

Mögliches CPS-Szenario

Betrachten wir dazu ein Beispiel aus dem Straßenverkehr: Wie wir wissen werden heute Ampeln autonom oder von einem zentralen Verkehrsleitsystem gesteuert. In einer Umsetzung als CPS würden sich die realen Ampeln in einer zentralen Meldestelle erst anmelden und dann eine eigene Identität im Netz erhalten. Dort veröffentlichen sie ihre aktuelle Ampelsteuerung und ihren Zeitplan. Also existiert jede Ampel 2-mal. Einmal als reale Ampel an der Kreuzung und einmal virtuell im Netz.

Basierend auf diese Daten, könnten sich Fahrzeuge nun, unabhängig vom Hersteller in der zentralen Meldestelle mithilfe von Schnittstellen über Ampelschaltung informieren. Abhängig von der Position könnten dann Informationen über die auf der Route liegenden Ampeln abgerufen werden. Das Ergebnis wäre, dass die Fahrzeuge sinnvoll ihre Geschwindigkeit anpassen oder zum Beispiel an der Kreuzung den Motor umweltfreundlich abschalten. Künftige Navigationssysteme könnten so individuelle und optimale Routen, also grüne Wellen, berechnen.

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Abbildung 1: Car Communication (Quelle)

In diesem Szenario, das ich euch gerade vorgestellt habe, ist nicht irgendeine Technologie neu, sondern die Kombination der verfügbaren Technologien auf einer völlig neue Weise. Durch die Verfügbarkeit der ganzen Daten, wird die Entwicklung von Diensten ermöglicht, die es bisher so noch gar nicht gegeben hat (z.B.: „Das Buchen von grünen Wellen“ und „Routenplanung mit grünen Ampeln“).

Doch was bedeutet es, wenn man dieses Konzept auf die Industrie überträgt? Industrielle Geräte bekommen eine zweite Identität im Netz und sind dort auffindbar. Außerdem könnten diese Geräte virtuell miteinander im Netz zu Systemen verschaltet und simuliert werden. Die sich dann auch virtuell optimieren, testen und steuern lassen. Durch die Verfügbarkeit und Kombinationen von Informationen, ergeben sich daher zahlreiche neue Einsatz- und Geschäftsmöglichkeiten (vgl. Dr.-Ing. Kurt D. Bettenhausen und Prof. Dr.-Ing. Stefan Kowalewski 2013, S. 8).

Einsatzmöglichkeiten von CPS

Überall dort, wo komplexe, physische Systeme, durch die Kommunikation mit der virtuellen Welt verbessert werden könnten, lassen sich demnach CPS einsetzten. Sie können also in allen erdenklichen Bereichen zum Einsatz kommen – von der Medizin bis zur Verkehrsregelung (Cyber-Physical Systems@Frauenhofer IIS, S. 5).

Einsatzgebiete

  • Produkt- und Produktionssysteme (Industrie)
    • In der Industrie lassen sich innerbetriebliche Produktionsprozesse optimieren. Maschinen und Werkzeuge lassen sich besser organisieren und überwachen.
    • Beispiele: Verfolgung von Waren in der Produktion, Predective Maintenance etc.
  • Smart-Grids
    • Dies sind dezentrale Einheiten zur Erzeugung und Verteilung von Energie. Mit Hilfe der IT entstehen Energienetze, die Versorger bedarfsgerecht und kosten- und energieeffizient mit Strom versorgen (vgl. Manfred Broy, S. 40).
  • Car2X-Kommunikation
    • Im Bereich Verkehrssteuerung und Automotive spielen CPS bei der Vernetzung von Fahrzeugen untereinander bzw. mit der Verkehrsinfrastruktur über Informationsnetze eine Rolle (siehe Beispiel oben). Dem Fahrer können dabei frühzeitig kritische und gefährliche Situationen angezeigt werden, sodass dieser rechtzeitig reagieren kann (vgl. Manfred Broy, S. 41).
  • e-Health
    • CPS könnten dazu beitragen, elektronische Geräte zur medizinischen Versorgung oder Fernüberwachung über das Internet zu nutzen. Zudem könnten sie dabei helfen, älteren Menschen dabei zu unterstützen, sich länger und eigenständig zu versorgen. (siehe Notrufsysteme & Ambient Assisted Living)

Fazit

Auch wenn die Vorteile bei CPS zu überwiegen scheinen, zumindest in der Produktion, darf jedoch der Mensch nicht vergessen werden. Der Mensch steht nämlich im Mittelpunkt von diesen Systemen. In der Zukunft wird es notwendig sein, ganz neue Mensch-Maschine-Schnittstellen zu entwickeln (Manzei et al. 2016). Praxistaugliche Lösungen müssen entwickelt werden, die selbst komplexeste Systeme, die beispielsweise eine Vielzahl von Sensoren, Prozessoren, Aktoren usw. kontrollieren, effizient steuerbar machen. Dadurch wird nämlich in der Zukunft auch die Ausbildung der Menschen mit anderen Methoden und anderen Inhalten erfolgen, als bisher. Auch ganz neue Dienstleistungen und Berufsbilder werden dabei entstehen.

Was denkst du? Welche Auswirkungen werden CPS in der Zukunft für uns haben? Komplette Berufsbilder werden wegfallen, aber dafür neue entstehen – werden Unternehmen es schaffen, ihre Mitarbeiter für die kommende Revolution (rechtzeitig) umzuschulen?

Quellen

Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Cyber-Physical Systems@Frauenhofer IIS.

Dr.-Ing. Kurt D. Bettenhausen; Prof. Dr.-Ing. Stefan Kowalewski (2013): Cyber-Physical Systems: Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation.

Manfred Broy: Cyber-Physical Systems. Innovation durch Software Intensive Eingebettete Systeme.

Manzei, Christian; Schleupner, Linus; Heinze, Ronald (2016): Industrie 4.0 im internationalen Kontext. Kernkonzepte Ergebnisse Trends. Berlin, Offenbach: VDE Verlag.

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Eine Antwort zu “Cyber-Physische Systeme – Grundlagen und Einsatzgebiete

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