Neue anpassbare Toolchains sorgen für umweltverträgliche cyber-physische Systeme
Cyber-physische Systeme sind wichtige Infrastrukturen für unsere moderne Gesellschaft. Allgegenwärtig arbeiten Computer, Maschinen und Menschen unter Verwendung von eingebetteten Computern und Netzwerken zusammen. In der modernen Gesellschaft wird fast alles durch eingebettete Computer gesteuert – ganz gleich ob es sich um winzige Herzschrittmacher oder moderne Autos handelt, die mit hunderten Millionen Zeilen Programmiercode bepackt sind, und ganz gleich, ob es sich um automatisierte Lager bis hin zu nahezu allen Geräten, die in das Internet der Dinge (IoT) eingewoben sind, handelt. Auf Grundlage der starken Marktstellung Europas im Bereich der Elektronik, Mikrosysteme und eingebetteten Systeme ist die Zukunft der cyber-physischen Systeme ein zentraler Baustein für die Realisierung einer nachhaltigen Wirtschaft. Es ist ebenso wichtig, Sorge dafür zu tragen, dass diese Systeme den Anforderungen in Bezug auf einen Stromverbrauch nahe Null gerecht werden. Das EU-finanzierte Projekt oCPS arbeitete in dieser Richtung an der Entwicklung eines multidisziplinären Ausbildungsprogramms, welches die Gebiete Informatik, Elektrotechnik, Maschinenbau, Steuerungstechnik und Softwaretechnik umfasst.
Senkung des Energieverbrauchs
„Eine Herausforderung besteht darin, cyber-physische Systeme energieeffizient auszugestalten“, merkt Dip Goswami, Wissenschaftler des oCPS-Projekts, an. „Laut der Erklärung der Europäischen Kommission zu den Prioritäten des Grünen Deals ist ein energieneutrales Europa bis 2050 von herausragender Bedeutung, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Natur, die Menschen und die Unternehmen zu mindern. Durch die Entwicklung von Verfahren zur Verbesserung der Energieeffizienz von Systemen leistete oCPS einen Beitrag zu diesem Vorhaben. Darüber hinaus müssen eingebettete Computer sicher und kosteneffektiv sein, um größere Akzeptanz in unserer Gesellschaft zu erhalten.“ Die Energieeffizienz eines Mobiltelefons beispielsweise hängt von dessen Akku und den verwendeten Apps wie auch von der Architektur der eingebetteten Systeme ab. Das Projekt oCPS entwickelt modellgestützte Designmethoden, um mehrere Ebenen zu handhaben. „Eine Mobilkamera etwa braucht für viele gängige Anwendungen wie die Gesichtserkennung nicht zwangsläufig hochauflösende Bilder“, erklärt Goswami. „Ein ungefähres Bild könnte ausreichen, sodass mehr als 80 % des Energieverbrauchs eingespart werden.“ Über das Projekt wurden anpassbare Toolchains entwickelt, die aus verschiedenen Tool-Lösungen von verschiedenen relevanten Ebenen einschließlich der Hardware-, Software- und physikalischen Ebene bestanden. Eine Platooning-Lösung für Lastkraftwagen könnte beispielsweise in einer integrierten Tool-Umgebung getestet werden, die das Verhalten im Straßenverkehr, die Kommunikation von Fahrzeug zu Fahrzeug und die Steuerungsalgorithmen genau modellieren kann. Durch die Integration der entwickelten Designmethoden in sechs anpassbare Toolchains, die auf verschiedene Bereiche (wie autonome Fahrzeuge, Platooning, Bildgebung, Multiagentensysteme und Gesundheitsversorgung) abzielen, zeigte das Projekt Verbesserungen in puncto Energieeffizienz, Kosten und Sicherheit. „Wir haben zum Beispiel eine Energieverbesserung von 80 % für sichtgestützte Anwendungen in Fahrzeugen gezeigt“, merkt Goswami an. „In ähnlicher Weise zeigt unsere Platooning-Lösung eine Kraftstoffeinsparung von 7 %, was in Anbetracht der Anzahl der Lastkraftwagen auf unseren Straßen beachtlich ist.“
Disziplinübergreifende Arbeit
Laut Goswami sei die disziplinübergreifende Arbeit zwar herausfordernd gewesen, sie hätte aber zu interessanten Ergebnissen geführt. Durch industrielle Anwendungsfälle, die durch mehrere Entsendungen sowie netzwerkweite Veranstaltungen und regelmäßige Diskussionssitzungen zustande kamen, konnte das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführte Projekt ebenfalls die Kooperation von Sachverständigen und Forschenden mit verschiedenem Fachwissen fördern. Dies führte zu multidisziplinären Methoden und den anpassbaren Toolchains. „Uns schwebt vor, dass die entwickelten Methoden weiter in Bildungswege des Industriedesigns integriert werden“, sagt Goswami. „Natürlich erfordert dies einen Fortschritt zu einem höheren Reifegrad. Außerdem bedeuten die Methoden einen Paradigmenwechsel, der in unsere Bildungswege, Lehrpläne und Studierendenprojekte eingebettet werden muss.“
Schlüsselbegriffe
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