National Instruments »Cyber-Physical Systems bilden die Grundlage für Industrie 4.0«

Rahman Jamal, NI

Cyber-Physical Systems verbinden eingebettete Systeme mit physikalischen Komponenten und interagieren kontinuierlich und dynamisch mit ihrer Umgebung. Um diese intelligenten Systeme zu entwickeln, ist ein plattformbasierter Ansatz wie das Graphical System Design von NI hilfreich. Was darüber hinaus wichtig ist, erklärt Rahman Jamal, Technology & Marketing Director Europe von NI.

Nach aktuellen Standards entwickelte Systeme werden selten nur einmal und unabhängig von anderen Systemen entworfen, und nur selten werden sie je fertiggestellt. Das Bremssystem eines Autos entwickelte sich beispielsweise aus der mechanischen Hebelbremse, wurde dann mit Hydraulik ausgestattet, und mit dem Aufkommen von Servobremsen kamen elektrische Komponenten hinzu. Heutzutage bringen Fahrzeugbremsen elektronische Stabilitätskontrolle, Traktionskontrolle, einen anpassbaren Tempomaten, einen Assistenten für Notbremsungen und vieles mehr mit sich. Was einst ein Hebel war, ist heute ein komplexes System bestehend aus dezentralen Computern, unabhängig voneinander bremsenden Rädern und dem Erfassen von Handlungen des Fahrzeugführers, Fahrzeugleistung und Hindernissen in der Umwelt. Und auch die Fahrzeuge selbst sind Komponenten größerer Systeme, die mit Steuer-, Regel- und Überwachungssystemen für den Stadtverkehr interagieren – beispielsweise Verkehrsleitsystemen oder verkehrsabhängigen Ampelanlagen. Im Laufe der Zeit werden eigenständige Produkte also durch Plattformen ersetzt, und sogar die schlichtesten Entwürfe werden zu dynamischen, ineinandergreifenden Systemen. Hier kommen die Cyber-Physical Systems ins Spiel.

Was sind Cyber-Physical Systems?

Cyber-Physical Systems (CPS) weisen eine enge Verbindung zwischen eingebetteten Systemen und physikalischen Komponenten auf und interagieren kontinuierlich und dynamisch mit ihrer Umgebung. Kennzeichnend für ein Cyber-Physical System sind drei fundamentale und eng verwobene Aspekte: die drei C von CPS – Computation (rechenintensive Berechnung), Communication (Kommunikation) und Control (Steuerung und Regelung). Viele komplexe Systeme schlagen eine Brücke zwischen den unterschiedlichen Fachgebieten der rechenintensiven Berechnung, sprich »Computation«, der IT und der Physik. Der Ausdruck »Cybersystems« hingegen ist schon länger bekannt und wird als Kollektivausdruck für die Verknüpfung von rechenintensiven Berechnungen, IT und Kommunikationssystemen verstanden. CPS gründen auf traditionellem softwareintensivem Embedded-System-Design und erstrecken sich dann auf bedeutendere und komplexere Systeme, womit sie ein großes Potenzial sowohl hinsichtlich Innovation als auch hinsichtlich Auswirkungen auf unsere Gesellschaft aufweisen.

Interaktion mit der physikalischen Welt

Wie bei allen technischen Systemen muss das Design eines CPS strengen Anforderungen hinsichtlich Kosten, Stromverbrauch, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Leistung genügen. Viele der eingesetzten Verfahren zur Bewältigung dieser Anforderungen berücksichtigen jedoch die grundlegendste Eigenschaft von Cyber-Physical Systems nicht: Sie müssen eine sinnvolle, dynamische und vorhersehbare Interaktion mit der physikalischen Welt erzielen. Mit zunehmender Verbreitung und Komplexität der CPS sind Entwickler gezwungen, eine Brücke zwischen den Wissensgebieten der Cyber-Physical Systems und den physikalischen Systemen zu schlagen und beim Entwurf bereits die Verhaltensweisen eines Systems im Hinblick auf dessen Umgebung zu berücksichtigen.