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Intelligente, autonome cyber-physische Systeme voranbringen

Mit einer neuen Reihe von Designmethoden und -instrumenten steht ein italienisches Unternehmen an der Spitze der Entwicklung in Richtung autonomer cyber-physischer Systeme der nächsten Generation.

Digitale Wirtschaft
Sicherheit

Cyber-physische Systeme befinden sich am Übergang der Cyber- und der physischen Welt. Von autonomen Fahrzeugen bis hin zu intelligenten Netzsystemen stehen cyber-physische Systeme hinter vielen der großen, sicherheitsrelevanten Technologien, die unsere Zukunft bestimmen werden. Als eingebettete Systeme mit Kommunikationsfähigkeiten werden cyber-physische Systeme bei der Überwachung und Steuerung der physischen Welt und der damit zusammenhängenden Prozesse eingesetzt. Sie erstellen Rückkopplungsschleifen, wo physische Prozesse und Berechnungen sich gegenseitig beeinflussen. Trotz dieses Potenzials ist die Entwicklung von cyber-physischen Systemen begrenzt und es müssen mehrere Herausforderungen überwunden werden. „Während die zunehmende Akzeptanz zu einer allgemeinen Reifung verfügbarer Lösungen für die CPS-Entwicklung geführt hat, fehlt uns ein konstanter, konsolidierter Ansatz für ihre Integration“, sagt Claudio Pastrone, Forschungsleiter in den Bereichen Internet der Dinge und pervasive Technologien der LINKS-Stiftung, einem Forschungs- und Innovationszentrum in Italien und Koordinator des EU-finanzierten Projekts CPSwarm. „In der Folge bleibt die CPS-Entwicklung eine komplexe und fehleranfällige Aufgabe, die oft den Einsatz von vielen verschiedenen Instrumenten erfordert.“ Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat das Projekt CPSwarm den Prozess der Integration von cyber-physischen Systemen in „Schwärme“ vereinfacht. CPS-Schwärme sind komplexe Herden heterogener cyber-physischer Systeme, die auf der Grundlage lokaler Richtlinien zusammenarbeiten. Gemeinsam sind sie in der Lage, komplexe, industrielle Probleme der echten Welt zu lösen, die möglicherweise menschliche Interaktionen beinhalten.

Modellzentrierter Entwurf und vorausschauende Entwicklung

Ziel von CPSwarm ist es, die Instrumente und Ansätze zu entwickeln, die den Weg in Richtung gut etablierter, modellbasierter und prädiktiver technischer Designmethoden und Werkzeugketten für die cyber-physischen Systeme der nächsten Generation. Hierfür haben die Forschenden eine Reihe von Lösungen erstellt, darunter künstliche Intelligenz und Techniken aus dem Internet der Dinge, dank denen die Entwicklung autonomer und gemeinschaftlicher cyber-physischer Systeme einfacher wird. Auch Kommunikations- und Sicherheitsaspekte wurden berücksichtigt. „Der modellzentrierte Entwurf steht im Mittelpunkt des Projekts CPSwarm, mit dem eine Bibliothek wiederverwendbarer Modelle für die Gestaltung cyber-physischer Systeme erstellt werden soll“, erklärt Pastrone. „Die vorausschauende Entwicklung bildet eine weitere Säule des Projekts. Dies ermöglicht eine Modellverifizierung sowie eine Simulation des Verhaltens gemeinschaftlicher, autonomer cyber-physischer Systeme im Vergleich mit realen und schwer zu handhabenden physikalischen Daten.

Eine Entwurfs- und Simulationsumgebung

Aus dieser Arbeit heraus ergab sich die CPSwarm Workbench, eine vollwertige Entwurfs- und Simulationsumgebung zur Unterstützung des iterativen, computergestützten und modellbasierten Entwurfs von cyber-physischen Systemen. Die Workbench enthält eine Reihe von Werkzeugen und Lösungen, einschließlich eines Modellierungswerkzeugs, mit dem der Nutzer oder die Nutzerin CPS-Schwarmmitglieder und -verhalten sowie Umgebungscharakteristiken modellieren kann. Weitere bedeutsame Lösungen sind eine Modellierungsbibliothek, eine Simulations- und Optimierungsumgebung, ein Code-Generator sowie ein Bereitstellungswerkzeug. Laut Pastrone können Designerinnen und Designer mit diesen Werkzeugen gemeinschaftliche und autonome CPS einrichten, die Schwarmleistung in Bezug auf das Entwurfsziel testen und umfassende Lösungen in Richtung rekonfigurierbarer CPS-Geräte bereitstellen. „Die CPSwarm Workbench stellt eine schrittweise Änderung der CPS-Entwicklung im großen Maßstab dar, Entwicklungszeit- und kosten werden voraussichtlich signifikant verringert“, ergänzt er.

In der Praxis getestet

Im Verlauf des Projekts wurden CPSwarm-Lösungen in drei realen Anwendungsfällen getestet. „Diese Tests zeigen deutlich, dass unsere vorgeschlagene modellbasierte Methode beim Entwurf und bei der Entwicklung einer CPS-Schwarmanwendung helfen kann“, schließt Pastrone. „Die Nutzung der CPSwarm Workbench reduziert die erforderliche Zeit für die Entwicklung einer auf Schwärmen von cyber-physischen Systemen basierenden Anwendung drastisch.“ Das Projekt hat die Workbench als quelloffen freigegeben, sie ist für die Gemeinschaften, die sich mit cyber-physischen Systemen und Robotik befassen, frei verfügbar.

Schlüsselbegriffe

CPSwarm, cyber-physische Systeme, CPS, autonome Fahrzeuge, intelligentes Netz, IoT, Internet der Dinge, CPS-Schwärme, vorausschauende Entwicklung

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