Internet der Dinge Herausforderungen beim Entwurf von Cyber-Physical Systems

Autor / Redakteur: NI Trend Watch * / Franz Graser

Viele komplexe Systeme schlagen eine Brücke zwischen den Gebieten Datenverarbeitung, IT und Physik. Das Potenzial solcher Cyber-Physical Systems ist groß – ihre Komplexität aber auch.

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Drei Felder, ein Ziel: Die drei Hauptkomponenten eines CPS sind rechenintensive Verarbeitung, Kommunikation sowie die Steuerungs- und Regelungstechnik.
Drei Felder, ein Ziel: Die drei Hauptkomponenten eines CPS sind rechenintensive Verarbeitung, Kommunikation sowie die Steuerungs- und Regelungstechnik.
(Bild: National Instruments)

Nach aktuellen Standards entwickelte Systeme werden selten nur einmal und unabhängig von anderen Systemen entworfen, und nur selten sind sie je fertig. Das Bremssystem eines Autos entwickelte sich aus der mechanischen Hebelbremse von Pferdewagen und wurde schnell mit Hydraulik ausgestattet, um die Bremsleistung und -stabilität zu verbessern. Elektrische Komponenten wurden mit dem Aufkommen von Servobremsen hinzugefügt. Antiblockiersysteme waren anfangs mechanische Regelkreise, die das Blockieren von Flugzeugreifen verhinderten und daraufhin in Fahrzeugen zum Einsatz kamen.

Heute bringen Bremsen in Fahrzeugen elektronische Stabilitätskontrolle, Traktionskontrolle, einen anpassbaren Tempomat, einen Assistenten für Notbremsungen und vieles mehr mit sich. Was einst ein Hebel war, ist heute ein System, bestehend aus dezentralen Computern, unabhängig voneinander bremsenden Rädern und dem Erfassen von Handlungen des Fahrzeugführers, Fahrzeugleistung und Hindernissen in der Umwelt. Fahrzeuge selbst sind Komponenten größerer Systeme, die mit Steuer-, Regel- und Überwachungssystemen für den Stadtverkehr interagieren.

Von zwei Glaslinsen zum Riesenteleskop

Ein weiteres Beispiel ist das Teleskop, das zu den Zeiten eines Galileo Galilei aus zwei Glaslinsen und einer Lederhülle bestand. Im „European Extremely Large Telescope“ des European Southern Observatory, dessen Fertigstellung für 2022 erwartet wird, sollen alle paar Millisekunden rund 8000 Spiegel über ein verteiltes Computernetzwerk geschaltet werden. Eigenständige Produkte werden durch Plattformen ersetzt und sogar schlichte Entwürfe auf Hebelebene werden zu dynamischen, ineinandergreifenden Systemen.

Viele komplexe Systeme schlagen eine Brücke zwischen den Gebieten Datenverarbeitung, IT und Physik. Sie interagieren direkt mit ihrer Umgebung auf neue und wertvolle Weise. Ein aufkommendes Forschungsfeld ist die Untersuchung und Entwicklung technischer Systeme, die die Cyberwelt mit der physikalischen Welt verbinden. Diese Cyber-Physical Systems (CPS) sind so ausgelegt, dass sie kontinuierlich und dynamisch mit ihrer Umgebung durch die Verknüpfung von verteilter Intelligenz und physischen Komponenten interagieren. CPS-Anwendungen umgeben uns überall. Beispiele sind intelligente Stromnetze, Car-to-Car-Communication, intelligente Gebäude, kooperative Roboter, Telekommunikation, Automobilsysteme und Avionik.

Die drei C – Computation, Communication und Control

Typisch für ein Cyber-Physical System sind drei eng verwobene Aspekte: die drei C von CPS – Computation (rechenintensive Verarbeitung), Communication (Kommunikation) und Control (Steuerungs- und Regelungstechnik). Die junge Wissenschaft der Cyber-Physical Systems entstand aus der Notwendigkeit, immer dringendere und anspruchsvollere ingenieurtechnische Herausforderungen auf globaler Ebene zu bewältigen. CPS gründen auf der Entwicklung traditioneller Embedded-Systeme und werden durch komplexere Systeme erweitert, sodass sie einen Bereich mit großem Potenzial für Innovation und soziale Effekte darstellen.

In seinem Buch Cyber-Physical Systems: Imminent Challenges erklärt Professor Dr. Manfred Broy, Gründungsdekan der Fakultät für Informatik der Technischen Universität München, dass Cyber-Physical Systems „die Art und Weise verändern können, wie Einzelpersonen und Organisationen mit der physikalischen Welt interagieren und sie steuern, und sie können genauso revolutionär sein wie das Internet.“ Trotz ihrer relativ kurzen Existenz haben Cyber-Physical Systems also bereits einflussreiche und nutzbare Ergebnisse erzielt.

Wie bei allen technischen Systemen muss das Design eines CPS ressourcenbedingte Einschränkungen überwinden, zum Beispiel Kosten, Stromverbrauch, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Leistung. Viele Verfahren zur Bewältigung dieser Einschränkungen berücksichtigen jedoch die grundlegendste Eigenschaft von Cyber-Physical Systems nicht: Sie müssen sinnvolle, dynamische und vorhersehbare Interaktionen mit der realen Welt erzielen. Mit zunehmender Verbreitung und Komplexität sind Entwickler dieser Systeme gezwungen, eine Brücke zwischen den Domänen der Cyber-Physical Systems und der physikalischen Systeme zu schlagen.

Integration von IT und Umwelt kommt hohe Bedeutung zu

Das Entwerfen von CPS geht über Einschränkungen und das Implementieren von Details hinaus. Wichtig hierbei ist, dass Verhaltensweisen eines Systems im Hinblick auf dessen Umgebung berücksichtigt werden.

Die Weiterentwicklung eines einfachen Entwurfs zu einem komplexen System ist nichts Ungewöhnliches. Dennoch bereitet es Systementwicklern Schwierigkeiten, die Komplexität zu handhaben und zugleich Innovationen zu beschleunigen. Während ein Unternehmen wächst, wachsen auch die Größe und der Einfluss der bereitgestellten Systeme. Und die Kosten für den Entwurf einer Komponente übersteigen die Kosten der Integration dieser Komponente in ein größeres System.

Diese Herausforderung beim Entwurf von Cyber-Physical Systems wird nur weiter verstärkt, wenn Entwürfe zudem Software, Netzwerke und physikalische Prozesse umfassen. Ist dies nicht möglich, entstehen unvollständige Entwürfe und Innovationen geraten ins Stocken. Fachexperten konzentrieren sich weniger auf neue Entwürfe, dafür umso mehr auf die Integration von Cyber- und physischen Komponenten, häufig mit nur geringem Wissen über das Verhalten einer Komponente, wenn sie mit anderen integriert ist.

Auf diese Weise werden Systeme schlimmstenfalls unflexibel und schlecht wartbar. Der Entwicklungsaufwand verlagert sich von Fachkenntnissen zur Systemintegration und von Innovation zur Standardisierung. Innovative Unternehmen können es sich nicht leisten, Produkte zu entwerfen, ohne die Herausforderungen bei der Entwicklung von komplexen Cyber-Physical Systems im Voraus zu berücksichtigen.

Cyber-Physical Systems sind zu komplex, als dass sie mit unterschiedlichen Werkzeugen und Techniken entwickelt werden können. Eine zentrale Rolle beim Bewältigen dieser Aufgabe spielt der Entwurf auf Systemebene über die Implementierung hinaus. Dr. Vijay Kumar, Assistant Director for Robotics and Cyber-Physical Systems im Weißen Haus, unterstreicht diesen Punkt. Er sagt, dass es „dringend nötig ist, Entwurfsmethoden zu entwickeln, die eine garantierte Echtzeitleistung in Cyber-Physical Systems bieten.“ Ingenieure benötigen Tools für einen ganzheitlichen Entwurf des Systems und dessen Interaktion mit der realen Welt.

Ein Beispiel: Im Jahr 2003 waren 55 Millionen Menschen im Nordosten der Vereinigten Staaten von einem dreitägigen Stromausfall betroffen. Die Modellierungswerkzeuge für den Stromfluss, die zur Analyse der physikalischen Eigenschaften des Stromnetzes genutzt wurden, hatten das Verhalten des automatischen Steuer- und Regelsystems nicht berücksichtigt, ebenso wenig wie die Auswirkung auf das Netzwerk durch nachfolgende Abschaltungen.

Die Herausforderung von CPS meistern

An diesem Beispiel wird der Bedarf eines ganzheitlichen Entwurfs bei Cyber-Physical Systems deutlich. Entwurfsmethoden für CPS ermöglichen es, die Interaktionen zwischen der Cyberwelt und der physikalischen Welt zu modellieren und zu erforschen. So können diese und andere Fehler erkannt und verhindert werden, die sonst eventuell verborgen bleiben.

Eine bewährte Entwurfsmethode für Cyber-Physical Systems ist der plattformbasierte Entwurf, der von der University of California, Berkeley, auf den Weg gebracht wurde. Diese Methode wird gerne in der Automobilindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt zur Planung und Erstellung von Plattformen eingesetzt, die sich auf große komplexe Systeme mit einer langen Lebenszeit skalieren lassen.

Mit dieser Methode kann eine Plattform als Abstraktionsschicht verwendet werden, so dass der Anwender sich mit den Einschränkungen auf der Anwendungsebene beschäftigen und dabei Verbesserungen der Implementierung außer Acht lassen kann. Mit den richtigen Abstraktionsebenen können Entwurfsprobleme getrennt werden, indem Plattformelemente mit klaren Schnittstellen definiert werden.

Modulare Entwürfe mit klaren Schnittstellen

Das Ergebnis sind Entwürfe, die in viele Komponenten unterteilt, kombinierbar und modularisiert sind. Klare Schnittstellen erlauben das Ersetzen oder Aktualisieren von Plattformelementen durch einsatzfertige Standardhardware, um die Entwicklungskosten zu senken und die Verwaltung des Produktlebenszyklus zu vereinfachen. Plattformelemente können für Test-Frameworks, das Nachverfolgen von Anforderungen, Verifizierung und Dokumentation erneut verwendet, mit neuen Werkzeugen ausgestattet oder genutzt werden.

Wird ein Systemdesignwerkzeug eingesetzt, setzt man eine Plattform ein, die Entwurfsmethoden vereinheitlicht, mehrere Abstraktionsebenen sowie mehrere Models of Computation umfasst, die Integrationskosten senkt und die Innovation der nächsten Plattform beschleunigt.

Bessere Entwürfe für Cyber-Physical Systems können mit disziplinierten Entwurfsmethoden, ganzheitlichen Entwicklungswerkzeugen und einsatzfertiger Standardhardware erzielt werden. Um zum Schluss noch einmal auf das anfängliche Beispiel mit dem Bremshebel des Pferdewagens zurückzukommen: Es wird deutlich, wie ein ursprünglich einfacher Entwurf zu einem einzigartigen und komplexen CPS wird. Das wirft im Blick nach vorn unweigerlich die Fragen auf, welche Hebel derzeit entworfen werden, wie sie sich zu komplexen Systemen der Zukunft entwickeln werden und ob die richtigen Entwicklungswerkzeuge zur Verfügung stehen, die diese Systeme ermöglichen.

* Der Beitrag ist ein Ausschnitt aus dem Trend Watch 2014 von National Instruments.

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