Cyber-physische Systeme

Cyber-physische Systeme (CPS) sind einfach erklärt Systeme aus Maschinen und Computern, die autonom komplexe Aufgaben erfüllen. Der Begriff "Cyber" kommt aus dem Griechischen und bedeutet "Steuerung", im technischen Kontext "Computersteuerung". Gesteuert und überwacht werden die physischen Komponenten des Systems.

Computer überwachen und steuern die physischen Prozesse des Systems mittels Rückkopplungsschleifen: Sensoren erfassen beständig Daten der physischen Komponenten und der realen Welt. Diese Daten werden über Netzwerke an Computer gesendet, analysiert und verarbeitet. Daraus ergeben sich neue Steuerungsdaten, die wiederum über das Netzwerk die Aktivitäten der physischen Geräte bestimmen. Die Geräte werden so ständig untereinander abgestimmt.

CPS müssen dabei häufig eine hohe Komplexität beim Zusammenspiel verschiedener Geräte mit zahlreichen Steuergrößen und Messwerten aus der realen Welt bewältigen. Menschen stellen über Benutzeroberflächen Abläufe für die CPS ein und kontrollieren sie.

Definition: Ziel ist, dass ein solches System aus physischen Geräten, die über ein Netzwerk mit "intelligenter" Auswertungs- und Steuerungssoftware gesteuert werden, möglichst autonom arbeitet. Nur in Ausnahmefällen, die dem System bisher unbekannt sind, wird menschliche Unterstützung angefragt.

Was sind Beispiele für CPS?

Beispiele für CPS sind industrielle Steuerungssysteme (für Produktionsanlagen), Verkehrssteuerungssysteme, medizintechnische Systeme, Robotersysteme sowie Fahrerassistenzsysteme für Automobile und Autopilotsysteme in der Luftfahrt.

Industrie 4.0

Im Konzept der Industrie 4.0" spielen CPS eine zentrale Rolle. Der Begriff "Industrie 4.0" steht seit den 2010er Jahren für die umfassende Digitalisierung und Vernetzung aller Bestandteile industrieller Prozesse. Ziel ist die Automatisierung von Prozessen mithilfe von "intelligenter" Datenverarbeitung. "Intelligent" meint hier die Fähigkeit, Aufgaben zu bewältigen, die bisher von Menschen ausgeführt wurden. Hierfür kommen Technologien der künstlichen Inteligenz (KI) zum Einsatz.

In sog. "Smart Factorys" organisieren sich CPS im Zuge der "Industrie 4.0" weitgehend eigenständig ohne menschlichen Eingriff. Geschäfts- und Produktionsprozesse können so dynamisch vernetzt werden. Dies rationalisiert die Herstellung von Produkten bis hin zu individuellen Einzelanfertigungen, wobei die Eingaben der Kund:innen direkt in der Produktion umgesetzt werden.

Maschinen, Betriebsmittel und die Produkte erhalten in einer Smart Factory eine digitale Repräsentation, genannt "digitaler Zwilling". Über diese Repräsentationen können die Zustände aller Bestandteile in Echtzeit eingesehen und verarbeitet werden. So entstehen CPS aus elektronischen und mechanischen Komponenten, die miteinander über das "Internet der Dinge" kommunizieren.

Was ändert sich durch die CPS gegenüber bisherigen Technologien?

  • Ein neuer Grad der Autonomie technischer Systemen wird erreicht
  • Künstlich intelligentes Verhalten der CPS in Echtzeit, d.h. in unmittelbarer Reaktion auf die Erfordernisse, die sich aus den beständig verarbeiteten Daten aus den verschiedenen Quellen des Netzwerks ergeben

Vorteile

  • Entlastung: Beschäftigte können durch die CPS unterstützt und entlastet werden
  • Rationalisierung: Neue Möglichkeiten ergeben sich für die Optimierung von Prozessen und die Verwaltung von Ressourcen
  • Steigerung von Geschwindigkeit und Arbeitssicherheit

Nachteile

  • Sicherheit: Die vernetzte Struktur der CPS macht sie anfällig für Cyber-Angriffe
  • Komplexität: Die CPS können fehleranfällig sein, z.B. bei falschen Entscheidungen einzelner autonomer Teile
  • Arbeitslosigkeit: Beschäftigte können durch die CPS ihre Beschäftigung verlieren