Cyber-physische Systeme (CPS)

Ein cyber-physisches System, engl. „cyber-physical system“ (CPS), bezeichnet den Verbund informatischer, softwaretechnischer Komponenten mit mechanischen und elektronischen Teilen, die über eine Dateninfrastruktur, wie z. B. das Internet, kommunizieren. Es verknüpft so über (teilweise globale) Informationsnetze reale (physische) Objekte und Prozesse mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen.

Hört sich kompliziert an (und ist es im Detail auch), aber dahinter steht nichts anderes als das Konzept, das allen modernen Systemen zugrunde liegt, bei denen per Software komplexe Maschinen und Prozesse übergreifend gesteuert werden. War früher der Computer ein abgeschlossener Kasten, der seine Eingaben per Tastatur bekam und seine Ausgaben per  Bildschirm oder Drucker zurücklieferte, so erhalten heute Steuerungscomputer Informationen über alle möglichen Rückmeldungen von Sensoren und anderen verbundenen Geräten und steuern wiederum Aktoren und andere Geräte per Datenübertragung.

So befinden sich in einem modernen Pkw zahlreiche spezialisierte Computersysteme, die miteinander, aber auch mit der Motorelektronik, den Bremsen, dem Bordinformationssystem usw. in ständigem Austausch stehen und bei Bedarf das Fahrverhalten beeinflussen können. Bei Fahrassistenzsystemen oder gar autonomen Fahrzeugen steigt die Komplexität dieser vernetzten Systeme enorm an. Und wenn es nach dem Willen vieler Experten geht, sollen künftig Fahrzeuge auch mit anderen Fahrzeugen kommunizieren können und so ihr Verhalten abstimmen oder Fahrer vor kommenden Gefahren warnen können. Dabei wird aus dem ehemals rein mechanischen Fortbewegungsmittel ein hochkomplexes cyber-physisches System (CPS), bei dem die „Cyber“-Komponenten (die Steuerungs- und Kontrollrechner) ständig mit physischen Elementen (Motorsteuerung, Bremsen, Aktoren und Sensoren, andere Fahrzeuge) im Austausch stehen und damit direkt in die reale Welt steuernd eingreifen.

Doch ein solches Fahrzeug ist noch ein vergleichsweise simples Modell eines CPS: Bei dem Schlagwort „Industrie 4.0“ geht es darum, dass sich ganze Fertigungsanlagen und Fabriken automatisch so konfigurieren, dass unterschiedliche Produktionsaufträge autonom abgearbeitet werden können – bis hin zur Losgröße 1. Und moderne Hochspannungs-, aber auch Mobilfunknetze konfigurieren sich bereits heute automatisch je nach Bedarf und Last während des Betriebs um – auch hier durch das Zusammenspiel von physischen Komponenten und Kontroll- und Steuercomputern.

Ein solches cyber-physisches System ist durch seinen hohen Grad an Komplexität und die Notwendigkeit des Datenaustauschs zwischen den einzelnen Komponenten gekennzeichnet. Daraus erwachsen besondere Herausforderungen für die Entwicklung und den Betrieb von CPS, wie:

• Komplexitätsreduktion und Entwicklung von stabilisierenden Steuerungsarchitekturen: Wie kann man die benötigten Systeme „verstehen“ und verifizieren?
• Aufbau und fehlertoleranter Betrieb verteilter Sensornetzwerke: Was passiert, wenn ein Sensor ausfällt oder falsche Daten liefert?
• Erschließung von Wissen und Erkenntnissen aus dem System heraus: Die Systeme sollen selbstständig lernen und auf neue Situationen reagieren können.
• Verlässliche Integration von Standardkomponenten in cyber-physische Systeme: Die meisten Systeme sind keine kompletten Neuentwicklungen, sondern müssen in bestehende Systemlandschaften integriert werden.
• Verifikation von cyber-physischen Systemen: Tut das System immer, was es soll? Auch in Zukunft?
• Sicherheit: Was passiert im Fehlerfall? Ist das CPS gegen Angriffe von außen geschützt (erst recht, wenn es mit der Außenwelt im ständigen Dialog steht)?

CPS sind schon heute aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken und werden in den kommenden Jahren stark an Bedeutung gewinnen. Dabei besteht die Herausforderung, die Komplexität der CPS zu beherrschen und zugleich der in der Gesellschaft teilweise vorherrschende Angst, die Automatisierung könnte zu einem Kontrollverlust und letztlich dem Zusammenbruch etablierter Strukturen führen, durch Information und Aufklärung zu begegnen.