Cyber-Physical Systems

Ein Cyber-Physical System (CPS) ist ein Verbundsystem, das aus der Domänen-übergreifenden Verknüpfung von Smart Objects – also vernetzungsfähigen Embedded-Systemen – mit webbasierten Diensten (zum Beispiel Cloud Services) entsteht. CPS werden daher auch als „Systeme aus Systemen“ (Systems of Systems) bezeichnet. Solche Verbundsysteme sollen die Interaktion von Geräten und Objekten über Anwendungs- und Branchengrenzen hinweg ermöglichen. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. Neben selbststeuernden Produktions- und Logistiksystemen, integrierten Systemen zur Verkehrssteuerung (vernetzte Mobilität) oder sich selbst regelnden intelligenten Stromnet-zen (Smart Grids), lassen sich vor allem Telemedizin-Anwendungen realisieren.

Das Internet der Dinge wird sich aus verschiedenen Ebenen zusammensetzen. Vernetzte Embedded-Systeme und M2M Devices bilden die einzelnen Datenpunkte. Cyber-Physical Systems schaffen datentechnische Verbundsysteme und eine Informationsebene.

© SSV Software Systems

Hinsichtlich der vernetzten Mobilität wären bei einer CPS-basierten Lösung die einzelnen Fahrzeuge und Verkehrsteilnehmer untereinander vernetzt, um beliebige Informationen in Echtzeit miteinander auszutauschen. Darüber hinaus sind alle mobilen Objekte mit der gesamten Verkehrsinfrastruktur und den regionalen Wetterdatenquellen gekoppelt. Ein solches System ermöglicht ein verteiltes Verkehrsmanagement, das auf Staus und unvorhergesehene Situationen optimal reagieren kann. Dem einzelnen Verkehrsteilnehmer kann sogar vor Fahrtantritt dynamisch die optimale Route ermittelt und ein Zeitvergleich mit alternativen Reisemitteln (Mobilitätsassistenz zur situationsspezifischen Koordination) zur Verfügung gestellt werden. Ein weiteres Assistenzsystem kann den Terminkalender in der Cloud hinsichtlich der tatsächlichen Ankunftszeit am Zielort abgleichen und durch eine Verzögerung betroffene Mitmenschen – beispielsweise die Gesprächspartner eines Meetings – automatisch informieren.

Zu beachten ist allerdings, dass zurzeit praktisch alle Cyber-Physical-Systems-Aktivitäten im Forschungsumfeld und auf der Verbandsebene erfolgen. Ausgangspunkt war ein Forschungsprogramm der National Science Foundation in den USA. Es wurde 2009 eingerichtet und bisher mit fast 60 Mio. US-$ gefördert, die sich allerdings auf über 65 Projekte aufteilen. In Deutschland befassen sich unter anderem die TU München, acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, der ZVEI, die VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) sowie das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen besonders intensiv mit dem Thema. Ausschlaggebend dafür war sicherlich auch die von der Bundesregierung initiierte CPS-Forschungsagenda.

Alles Smart?

Setzt man die Bausteine des Puzzles zusammen, ergibt sich ein „smartes“ Gesamtbild der Zukunft. Demzufolge leben wir irgendwann alle in Smart-Object-basierten Smart Homes, die mit Strom aus dem Smart Grid versorgt werden. Der Energiebedarf wird mit Hilfe von Smart Metern abgerechnet. Mit unseren Smart Cars fahren wir hin und wieder in die Smart City oder Smart Factory. Dort halten wir uns in Smart Buildings auf und kommunizieren mit Smartphones. An der Gegenwart gespiegelt, drängt sich der Verdacht auf, dass der Begriff „Smart“ derzeit entweder etwas überstrapaziert oder aber demnächst neu definiert wird. Wie auch immer: In der M2M-Welt gibt es viel zu tun, bevor Cyber-Physical Systems und das Internet der Dinge zur Realität werden.

Wenn Sie heute in einem Wohnhaus ZigBee-basierte Raumthermostate, Wireless-M-Bus Smart Meter, Fensterkontakte mit EnOcean-Funkschnittstelle, Heizkörperventile aus dem RWE-Smart-Home-Programm und die zuvor beschriebene kommunikationsfähige Waschmaschine nebst den dazugehörenden Gateways installieren, haben Sie zwar zahlreiche Smart Objects installiert, aber noch kein Smart Home geschaffen. Die einzelnen Baugruppen bilden schlicht und einfach lediglich isolierte Dateninseln. Sehr ähnlich sieht es in Fabriken, Bürogebäuden und Städten aus. Sie bestehen ebenfalls aus unzähligen Dateninseln. Der Smart Grid als Cyber-Physical System und das Internet der Dinge lassen sich al­lerdings nur durch die Verbindung dieser Inseln realisieren. Dafür fehlen aber nach wie vor geeignete Integrationsebenen. Diese lassen sich allerdings durch entspre­chende Softwarebausteine erschaffen.

Autor: Klaus-Dieter Walter ist Mitglied der Geschäftsleitung bei SSV Software Systems und gehörte viele Jahre dem Vorstand der M2M Alliance an.