Cyber-physisches System

Ein cyber-physisches System, engl. „cyber-physical system“ (CPS), bezeichnet den Verbund informatischer, softwaretechnischer Komponenten mit mechanischen und elektronischen Teilen, die über eine Dateninfrastruktur, wie z. B. das Internet, kommunizieren. Ein cyber-physisches System ist durch seinen hohen Grad an Komplexität gekennzeichnet. Die Ausbildung von cyber-physischen Systemen entsteht aus der Vernetzung eingebetteter Systeme durch drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsnetze. Die Begriffsbildung folgt dem Bedarf an einer neuen theoretischen Grundlage für die Erforschung und Entwicklung großer, verteilter, komplexer Systeme, wie zum Beispiel der Weiterentwicklung des deutschlandweiten Stromnetzes, hin zu einem intelligenten Stromnetz, oder die Konstruktion neuartiger Industrieproduktionsanlagen, die sich hoch dynamisch an die jeweiligen Produktionserfordernisse anpassen können.

Anwendungsfelder

Die cyber-physischen Systeme decken ein breites Spektrum möglicher Bereiche ab, in denen sie zum Einsatz kommen können.

Zu den Einsatzbereichen gehören höchst zuverlässige medizinische Geräte und Systeme, altersgerechte Assistenzsysteme (AAL), IT-Verkehrssteuerungs- und Verkehrslogistiksysteme, vernetzte Sicherheits- sowie Fahrerassistenzsysteme für Automobile, industrielle Prozesssteuerungs- und Automationssysteme, nachhaltige Umweltbeeinflussungs- und Beobachtungssysteme, Energieversorgungsmanagementsysteme, militärische Systemvernetzungssysteme sowie Infrastruktursysteme für Kommunikation und Kultur.

Forschung

Insbesondere im anglo-amerikanischen Raum wird eine Theoriebildung zum Begriff „cyber-physisches System“ vorangetrieben, hier steht eine klare Abgrenzung des Begriffes gegenüber anderen Trends und Entwicklungsrichtungen komplexer informations- und kommunikationstechnischer Systeme im Vordergrund. In weiteren akademischen Untersuchungen stehen die sich ergebenden Herausforderungen der Systemkonstruktion im Blickpunkt. Zu den Herausforderungen zählen:

• Komplexitätsreduktion und Entwicklung von stabilisierenden Steuerungsarchitekturen für cyber-physische Systeme
• Verteilte Sensornetzwerke
• Erschließung von Wissen und Erkenntnissen aus dem System heraus
• Behandlung der Problematik der Interaktionskomplexität
• Verlässliche Integration von Standardkomponenten in cyber-physische Systeme
• Handhabbarkeit des Zusammenflusses von Sensorik, Aktorik und Steuerung
• Verifikation von cyber-physischen Systemen
• Sicherheit

Forschungsprojekte in Deutschland

Im Rahmen der „Hightech-Strategie für Deutschland“ der Bundesregierung werden Untersuchungen zur Weiterentwicklung von industriellen Produktionsanlagen und Produktionsprozessen gefördert. Ziel dieser Aktivitäten ist es, bereits intensiv informatikgestützte Industriezweige bei der Einführung und Nutzung weitverzweigter Netzwerkstrukturen für die eingesetzten eingebetteten Systeme zu unterstützen. Dieses geschieht zum Beispiel durch die Förderung der Spitzencluster „it’s OWL – Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe“ sowie „MicroTEC Südwest – The Cluster for Smart Solutions“.

Verwendete Technologien

• Sensornetze
• Internet-Infrastruktur
• Echtzeitverarbeitung
• Eingebettete Systeme
• Autonomic Computing

Anwendungsbeispiele für cyber-physische Systeme

• Smart Grids
• E-Health
• Altersgerechte Assistenzsysteme
• Industrie 4.0 z. B. bei pneumatischen Systemen
• Frühwarnsystem
• German Indonesian Tsunami Early Warning System

Literatur

• Manfred Broy: Cyber-Physical Systems: Innovation durch softwareintensive eingebettete Systeme . Springer, Berlin/ Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-14498-1.
• acatech (Hrsg.): Cyber-Physical Systems: Innovationsmotoren für Mobilität, Gesundheit, Energie und Produktion (acatech POSITION). Springer. Berlin/ Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-27566-1.
• K. Einwich (Hrsg.): 9. Workshop Cyber-Physical Systems – Enabling Multi-Nature Systems (CPMNS). Fraunhofer Verlag, 2012, ISBN 978-3-8396-0398-7.
• P. Marwedel: Embedded System Design: Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems. Springer, 2010, ISBN 978-94-007-0256-1. (englisch)
• E. Geisberger, M. Broy: agendaCPS – Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, acatech Studie. acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e.V., München/Garching 2012.

Weblinks

• M. Broy: Cyber Physical Systems: Die Verschmelzung der Wirklichkeit mit dem Netz. Vortrag. (Video)
• E. Geisberger, M. Broy (Hrsg.): Agenda CPS – Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems.
• E. A. Lee, S. A. Seshia: Introduction to Embedded Systems – A Cyber-Physical Systems Approach. http://leeseshia.org,/ 2011. (PDF; 24 MB)

Einzelnachweise

1. S. Karnouskos: Cyber-Physical Systems in the Smart Grid. (PDF; 79 kB). In: Industrial Informatics (INDIN), 2011 9th IEEE International Conference on. Juli 2011. Abgerufen am 5. September 2012.
2. T. M. Böhler: (Memento vom 10. März 2013 im Internet Archive). In: Produktion Magazin. 10. Mai 2012, abgerufen am 5. September 2012.
3. J. Jasperneite: Was hinter Begriffen wie Industrie 4.0 steckt. In: Computer & Automation. 19. Dezember 2012. Abgerufen am 23. Dezember 2012.
4. A. W. Colombo, T. Bangemann, S. Karnouskos, J. Delsing, P. Stluka, R. Harrison, F. Jammes, J. Lastra: Industrial Cloud-based Cyber-Physical Systems: The IMC-AESOP Approach. Springer Verlag, 2014, ISBN 978-3-319-05623-4, abgerufen am 7. Apr 2014.
5. I. Lee: @1@2Vorlage:Toter Link/www.cert.orgMedical-Device Cyber Physical Systems. (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im November 2018. Suche in Webarchiven.) (PDF; 5,4 MB). In: Trusted Computing in Embedded Systems (TCES) Workshop 2010. 10. November 2012. Abgerufen am 6. September 2012.
6. Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems. VDE Verband Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. – Bereich AAL. Abgerufen am 6. September 2012.
7. (Memento vom 4. März 2016 im Internet Archive) Fraunhofer-IuK-Verbund. 3. August 2012. Abgerufen am 25. Oktober 2014.
8. (Memento vom 6. Juli 2012 im Internet Archive) Fraunhofer SIT. Abgerufen am 6. September 2012.
9. Jürgen Jasperneite, Oliver Niggemann: Intelligente Assistenzsysteme zur Beherrschung der Systemkomplexität in der Automation. In: ATP edition – Automatisierungstechnische Praxis. 9/2012, Oldenbourg Verlag, München, September 2012.
10. (Memento vom 6. Januar 2016 im Internet Archive) Abgerufen am 6. September 2012.
11. S. Lehnhoff: (Memento vom 8. April 2014 im Internet Archive) (PDF; 7,0 MB). In: Symposium "Informatik & Nachhaltigkeit trotz Wandel: Wechselwirkungen einer vernetzten Gesellschaft". 3. Juli 2012. Abgerufen am 6. September 2012.
12. J. Sztipanovitz, J. Stankovic: Cyber-Physical Systems: A National Priority for Federal Investment in Infrastructure and Competitiveness. (PDF; 177 kB). Version 8, 22. Dezember 2008. Abgerufen am 6. September 2012.
13. Turings Traum weiter träumen. Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, 2. Mai 2012. Abgerufen am 6. September 2012.
14. (Memento vom 11. Juli 2009 im Internet Archive)University of Illinois, Department of Computer Science. Abgerufen am 7. September 2012.
15. Cyberphysical Systems Workshop. The European Research Consortium for Informatics and Mathematics (ERCIM) 2011. Abgerufen am 7. September 2012.
16. S. Karnouskos: Stuxnet Worm Impact on Industrial Cyber-Physical System Security. In: 37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2011), 7-10 Nov 2011, Melbourne, Australia. Abgerufen am 7. Apr 2014.
17. (Memento vom 31. Oktober 2012 im Internet Archive) In: Ideen, Innovation, Wachstum. Die Bundesregierung. Abgerufen am 7. September 2012.
18. Spitzencluster it´s OWL – Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe. Abgerufen am 7. September 2012.
19. Spitzencluster MicroTEC Südwest – The Cluster for Smart Solutions. Abgerufen am 6. Februar 2013.
20. Wahl Philipp: New ways to increase productivity with “smart” systems. (PDF) Festo AG & Co. KG, 2017, abgerufen am 19. März 2018 (englisch).