Cyber-physische Systeme

Cyber-physische Systeme (CPS) sind 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.

CPS sind eingebettete Systeme und vernetzte Gegenstände, die in der physischen Welt arbeiten und mit der Geschwindigkeit von Abläufen in der realen Welt interagieren. CPS bestehen aus einzelnen Komponenten, die als komplexe Systeme interagieren und anpassungs- und wandlungsfähig sind, um den Ausfall einzelner Komponenten zu kompensieren. CPS bieten zahlreiche Vorteile, einschließlich der Entwicklung intelligenter Stromnetze (Smart Grid), einem hohen Grad an Effizienz und der Fähigkeit, auf dynamische Änderungen in der realen Welt zu reagieren.

Funktionsweise

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

Chancen und Herausforderungen für die Zukunft

Zukunftsaussichten und Entwicklungen im Bereich der Cyber-physischen Systeme (CPS) sind vielversprechend und zeigen ein enormes Potenzial für zukünftige Anwendungen auf. Experten sehen CPS als Schlüsseltechnologie der vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0). Die Integration von Künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und Blockchain-Technologie in CPS wird voraussichtlich neue Geschäftsmodelle und Innovationen hervorbringen. In der Medizin werden CPS beispielsweise zu einer stärker personalisierten und effektiveren Behandlung von Patienten beitragen. Die Anwendung von CPS in der Landwirtschaft kann zu einer Steigerung der Effizienz und Erträge führen. Darüber hinaus wird erwartet, dass CPS auch in der Verkehrs- und Energiewirtschaft sowie in der Robotik und der Sicherheitstechnik wichtige Rolle spielen werden.