Für Robotik-Systeme entstehen die Echtzeit-Modelle der Umgebung nicht mehr nur aus der direkten Umgebung und den Roboter-eigenen Sensoren. Fortschrittliche Datenkorrelation und Analytik verbessern die ‚Situational Awareness’ (Situative Umgebungserkenntnis) – basierend auf Daten aus dem Netzwerk oder dem Internet – massiv. Ganz besonders wird die Telerobotik von der erweiterten Konnektivität der Systeme profitieren. Der Robotik geht es wie dem Rest des IIoT – fast jeder Industriebereich muss den exponentiell wachsenden Mengen digitaler Daten Herr werden. Beispielsweise bedeutet heute in der Medizin die erfolgreiche Behandlung auch das Management großer Datenmengen. Denn ein durchschnittlich überwachter Patient generiert 1,5 GByte physiologischer Rohdaten am Tag.

Auch die Automobilbranche befindet sich in der größten Umwälzung seit Erfindung des Autos. ‚Connected Cars‘ und autonomes Fahren sind dabei, die Art und Weise wie wir uns bewegen komplett zu verändern. Und das Auto der Zukunft ist nichts anderes als ein Roboter auf Rädern.

Bewährter DDS-Standard

Die RTI-Connext-DDS-Plattform erfüllt in auto­nomen Fahrzeugen verschiedenste Aufgaben, zum Beispiel steuert sie die Interaktion zwischen Fahrzeugen oder Kontrollsystemen.

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Das Internet hat einen Punkt erreicht, wo die Handhabung komplexer verteilter Systeme möglich wird. In fast jedem Industriebereich sucht man nach ähnlichen Systemarchitekturen, die Sensoren mit der Cloud verbinden, Interoperabilität verschiedener Technologien aber auch Brücken zwischen verschiedenen Industrien ermöglichen.

Dies ist eine gute Gelegenheit zum Erfahrungsaustausch zwischen den Industriebereichen. Genau deshalb fokussieren sich multinationale Organisationen wie das Industrial Internet Consortium (IIC) auf Referenzarchitekturen für das IIoT, die zwischen Systemen, aber vor allem zwischen unterschiedlichen Industrien anwendbar sind. Es geht nicht darum, mehr und neue Standards zu entwickeln, sondern um die Anwendung bewährter Technologien und Standards in neuen Kontexten.

Der Data Distribution Service (DDS) ist ein solcher international bewährter Standard. Auch ROS-2 (Robot Operating System), ein Satz von Bibliotheken und Tools zur Unterstützung von Software-Entwicklern, die Roboteranwendungen erstellen, baut auf DDS als Middleware-Lösung. Zur Zeit testet die NASA in der ISS Robotik-Systeme, die zukünftig die Kontrolle von Mars-Expeditionen aus dem Orbit erlauben werden.

Verschiedene Einsatz-Szenarien

DDS erfüllt die Konnektivitätsanforderungen auf der Edge-, Fog- und Cloud-Ebene und vereinfacht die Integration unterschied­licher Systeme im Industrial Internet of Things.

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Herausforderungen in der Datenkommunikation sind Multisekundenverzögerungen in der Verbindung, ack/nack und normale Ethernet-Verbindungen funktionieren da nicht mehr. Im Telerobotic & Haptics Labor der ESA schüttelt ein Astronaut aus der ISS aus 5000 km Entfernung mit Roboterhilfe dem Gast die Hand. Die Echtzeit-Kontrolle über eine instabile Verbindung mit geringer Bandbreite von der ISS zur Bodenstation wird durch DDS-Konnektivität ermöglicht.

Ganz anders ist die Aufgabenstellung im ‚Minimally Invasive Robotic Surgery System’ (MIRS) der DLR. Herzoperationen sind heute sehr risikoreich, da das Herz ‚stillgelegt’ und der Patient für die Dauer der Operation an eine Herz-Lungenmaschine angeschlossen wird. Drei Roboter ermöglichen präzise chirurgische Eingriffe am schlagenden Herz, eine Aufgabe die auch für die besten Ärzte manuell unmöglich ist. Eine statische Abbildung des schlagenden Herzen wird auf dem Monitor gezeigt, der Operateur bedient die haptischen Kontrollelemente und die Roboterarme kompensieren die Bewegungen des Herzen. Die präzise Kontrolle in extremer Echtzeit ist hier kritisch, das System arbeitet mit einer Datenrate von 3 kHz zwischen Roboterarm und Kontrollsystem.

Obwohl die Anforderungen an diese Robotiksysteme der NASA, der ESA und der DLR vollkommen unterschiedlich sind, so werden sie doch mit der gleichen Konnektivitätsplattform umgesetzt: In allen Systemen kommt RTI Connext DDS zum Einsatz. RTI Connext DDS bietet eine marktführende Implementation, leistungsfähige Entwicklungswerkzeuge und die Erfahrung aus Hunderten von Projekten in verschiedensten Industrien, um dem Entwickler die schnelle Umsetzung neuer Anforderungen und neuer Architekturen zu ermöglichen.

‚Plug &Play’ möglich

DDS agiert als Datenbus zur Integration von Systemen, Geräten und Applikationen. Im Grunde ist es eine verbindungsfreie Architektur, die die Komplexität direkter Punkt-zu-Punkt-Integration abstrahiert. Komponenten, die der Datenbus verbindet, sind Publisher (Produzenten) oder Subscriber (Konsumenten) oder auch beides. Die Komponenten müssen sich nicht gegenseitig kennen. Applikationen müssen nur die Datentypen kennen und wissen, welche Datenthemen (Data Topics) zu verarbeiten sind. Applikationen schreiben (publish) oder lesen (subscribe) einfach nur Daten. DDS erkennt und verbindet die Komponenten zur Laufzeit lose gekoppelt und ermöglicht so ‚Plug & Play‘. Existierende Applikationen müssen nicht angepasst werden, wenn Komponenten hinzukommen oder wegfallen.

Wie in einer relationalen Datenbank definiert der Anwender in der datenzentrischen Architektur die Kriterien zum Datenaustausch (Datenmodell, Schlüssel) und der Roboter füllt und aktualisiert zum Beispiel die Einträge zu Position, Richtung, Beschleunigung.

RTI Connext DDS arbeitet ohne Server oder Broker, durch verteilte Datenhaltung werden Engpässe und ‚Single Point of Failure‘ vermieden, und der direkte schnellste Zugriff auf aktuellste Daten ist jederzeit möglich. Der Schlüssel zum universellen Einsatz von DDS in verschiedensten Systemen sind die präzisen Quality-of-Service Konfigurationen, die die Middleware bietet.

Die Datenbus-Architektur ermöglicht eine durchgängige Kommunikation zwischen Geräten, Maschinen, zwischen Systemen und über die gesamte Kette vom Sensor bis in die Cloud ohne Technologiewechsel. DDS stellt die relevanten Daten – und nur diese – jederzeit, sicher und zuverlässig in System-Echtzeit zur Verfügung. Keine herkömmliche Messaging-Middleware und kein Kommunikationsprotokoll bieten diese Funktionalität, jede Applikationsentwicklung müsste diese neu implementieren (etwa Message Parsing, Filterung, Message Caching & State Management, Discovery, Presence, Marshaling).

Diese Vorteile hat auch die Open Source Robotics Foundation erkannt und setzt in der nächsten Generation (ROS-2) auf die Kommunikation durch DDS.

Absicherung der Systeme

Die aktuellen Möglichkeiten der Datenkommunikation und Vernetzung erfordern allerdings auch neue Wege zur Absicherung der Systeme. Ein unberechtigter Zugriff auf Daten und der Eingriff in ein System, zum Beispiel während einer Herzoperation, hätte verheerende Folgen. Darum hat die Open Management Group (OMG) den DDS-Standard im Jahr 2016 mit dem DDS-Secure-Standard erweitert.

Im Gegensatz zu anderen Ansätzen verlangt DDS Secure kein ‚One-Fits-All‘, sondern ermöglicht feingranulare Sicherheitsstrukturen. Während herkömmliche Ansätze wie TLS oder DTLS das gesamte System abschotten oder den gesamten Datenstrom verschlüsseln, ermöglicht DDS Secure das Anpassen der Sicherheitsfunktionen an die tatsächlichen Erfordernisse auf Datenebene je Topic. Nicht jede Information muss verschlüsselt sein. Oft reicht es aus, sicherzustellen, dass der Datenzugriff erlaubt ist, oder die Daten nicht manipuliert wurden. Datenzentrische Zugriffskontrolle, sichere Multicast-Funktion, Verschlüsselung sowie Protokollierung sind detailliert zu konfigurieren und unnötige Systembeeinträchtigungen – wie verschlechterte Latenzzeiten – werden vermieden.

Da die DDS-Secure-Erweiterung als Plug-In zu RTI Connext DDS implementiert wurde, ist auch die nachträgliche Absicherung bestehender DDS-Applikationen ohne Änderungen des Applikationscodes möglich. Kundenspezifische Verschlüsselungsalgorithmen und ein Zertifikatsmanagement können per Software Development Kit (SDK) eingebunden werden.

Mit den neuen Einsatzmöglichkeiten der Robotik steigen entsprechene die Anforderungen zur funktionalen Sicherheit. Der Entwickler muss sicherstellen, dass sein System jederzeit das tut, was es tun soll und nichts anderes. Die entsprechenden Sicherheitsstandards, etwa ISO 60601 für Medizingeräte oder ISO 26262 für Autonome Fahrzeuge, sind zu beachten und ihre Umsetzung ist nachzuweisen. Auch hier kann von anderen Industriebereichen, wie der Luft- und Raumfahrt, gelernt werden.

Neues bei der funktionalen Sicherheit

RTI Connext DDS ist seit vielen Jahren in etlichen sicherheitsrelevanten Systemen in der Luft- und Raumfahrt im Einsatz. Als einziger Anbieter weltweit bietet RTI eine nach DO-178C Level A zertifizierbare DDS-Implementierung mit kompletter Dokumentation (Certification Evidence) an. Die Zertifizierungen nach ISO 26262 und 60601 sind derzeit in Arbeit. Der Einsatz dieser Variante reduziert Zeit- und Kostenaufwand für die Abnahme des Gesamtsystems. Da die zertifizierbare Variante kompatibel mit dem DDS-Standard und dem Protokoll ist, ist auch die Interoperabilität mit nicht zertifizierten Implementationen sichergestellt.

Autor:
Reiner Duwe ist Sales Manager Central Europe bei RTI.