Cyber-physische Systeme – Chancen und Risiken

Eine wichtige Rolle für die Industrie 4.0 stellen Cyber-physische Systeme (CPS) dar. Mit ihnen ist die Steuerung und die Kontrolle von komplexen Systemen und Infrastrukturen möglich. Doch was sind Cyber-physische Systeme überhaupt und welche Chancen und Risiken gehen mit ihnen einher?

Industrie 4.0 löste weitestgehend die Fachbezeichnung “ Cyber-physische Systeme“ ab

Als wir vor vielen Jahren auf der Hannover Industriemesse die ersten Orientierungsgespräche in der Industrie-4.0-Halle angeboten haben, wurde immer wieder versucht, den Vergleich zum bis dahin geprägten Fachbegriff „Cyber-physische Systeme“ (CPS) zu ziehen.

Aufgrund unserer, in Lehrbüchern veröffentlichten Artikel, verlinken mehrere Hochschulen und Universitäten auf unsere Beiträge, weshalb wir das Verständnis von CPS nochmals zusammenfassen. Industrie 4.0 ist für viele Fachkundige nur noch ein Schlagwort und somit Schall und Rauch. Die diversen „Smart-“ und „Connected“-Bezeichnungen versuchen die Überreizung des Schlagwortes Industrie 4.0 aufzuheben.

Cyber-physische Systeme – Definition

Cyber-physische Systeme, auch CPS genannt, bestehen aus drei Teilen:

• den mechanischen Komponenten,
• der Software
• und moderner Informationstechnik.

Über eine Dateninfrastruktur wie beispielsweise das Internet ist eine Vernetzung anstrebt, wodurch die jeweiligen Komponenten miteinander kommunizieren und Daten austauschen können. Dadurch lassen sich auch komplexe Infrastrukturen kontrollieren, regeln und steuern. Der Informationsaustausch erfolgt in Echtzeit über Kabel oder drahtlos.  Stationäre Maschinen, Anlagen, mobile Einrichtungen und Roboter gehören zu den Beständen der Cyber-physischen Systeme. Wissenschaften wie Mathematik, Elektrotechnik, Maschinenbau, Robotik und Informatik liefern die technologischen Grundlagen für die Cyber-physischen Systeme.

Das Funktionsprinzip basiert auf Sensoren, vernetzter Software und Aktoren. Dabei liefern die Sensoren Messdaten aus der physischen Welt und leiten diese über Netzwerke an eine Software weiter. Die Software verarbeitet anschließend die Messdaten. Hieraus ergeben sich die Steuerdaten, welche die Software über das Netz an Aktoren weitergibt. Cyber-physische Systeme zeichnet ein hoher Grad an Komplexität aus, wodurch sie z. B. für die Realisierung intelligenter Stromnetze über vernetzte Produktionsanlagen eingesetzt werden können. Um dies bewerkstelligen zu können, ist eine Vernetzung von zahlreichen und verschiedenen Komponenten auf Basis unterschiedlicher Technologien notwendig. Zu diesen zählen unter anderem:

• Aktoren
• Datenbanken
• eingebettete Systeme
• Sensoren
• Echtzeit-Datenverarbeitung
• Software für autonomes Computing
• drahtlose Vernetzungstechnologien
• Netzwerkinfrastrukturen

 

Hinweis: Unsere Berichte sind oft sehr ausführlich. Daher bieten wir an dieser Stelle eine Zusendung des Artikels im PDF-Format zur späteren Sichtung an. Nutzen Sie das Angebot um sich die Praxis-Impulse in Ruhe durchzulesen, Sie können hierfür auch einfach auf das PDF-Symbol klicken.

 

Einsatzbereiche für Cyber-physische Systeme

Für Cyber-physische Systeme gibt es verschiedene Einsatzbereiche. Sie kommen unter anderem in der Logistik, in der Umwelttechnik, in der Medizintechnik, in der Industrieproduktion, in der Verkehrstechnik oder in der Verteidigungstechnik zum Einsatz. Sie decken somit ein breites Spektrum an möglichen Funktionen und zur Vernetzung ab. Cyber-physische Systeme zielen darauf ab, die Effizienz zu erhöhen, die Kosten zu senken und die Bearbeitung von komplexen Vorgängen durch eine Vernetzung zu beschleunigen. Eine CPS besteht aus einem digitalen und computergestützten Kern, welcher mit den physischen Komponenten vernetzt ist. Dadurch ist das CPS in der Lage, mittels Sensoren und Aktoren, die notwendigen Daten aus einer physischen Umgebung zu erfassen und als Entscheidungsgrundlagen zur Verfügung zu stellen.

 

CPS Beispiele

Ein paar Beispiele für Cyber-physische Systeme sind:

• militärische Drohnen
• Flugabwehrsysteme
• Erdbeben-Warnsysteme
• Fahrer-Assistenzsysteme
• autonome Fahrzeuge
• Smart Grid (intelligente Stromnetze)
• Sensorbasierte Lösungen zur Bewässerung und Düngung von Pflanzen in der Agrarwirtschaft
• Eingebettes CPS in Verkehrsmanagement-Systemen zur Verbesserung zur Verkehrssteuerung
• CPS ermöglichtin der Logistik die Echtzeitverfolgung von Lieferungen
• CPS steuert die einzelnen Komponenten im Smart Home

 

Chancen und Risiken

Es gibt zahlreiche Vorteile von Cyber-physischen Systemen, die bei der Steuerung von komplexen Systemen nützlich sind. Zum einen sind sie sehr anpassungs- und wandlungsfähig, wodurch sie ihren Teil zur Effizienzsteigerung beitragen. Zum anderen laufen die Prozesse überwiegend automatisiert und autonom, ohne menschliche Hilfe ab. Die Menschen übernehmen nur noch Kontroll- und Steuerungsfunktionen. Zudem verbessert sich die Arbeitssicherheit und die Geschwindigkeit von Abläufen und kann gesteigert werden.

Allerdings gibt es auch einige Nachteile, hauptsächlich aufgrund der technischen Komplexität. Bei Cyber-physischen Systemen können die Abläufe und Strukturen sehr anfällig sein. Außerdem können Abhängigkeiten entstehen, die bei einem Ausfall einzelner Komponenten die Gesamtprozesse zum Stillstand bringen können. Zudem können falsche Entscheidungen getroffen werden, wenn die Systeme überwiegend autonom arbeiten. Auch kann es passieren, dass auf unvorhergesehene Ereignisse falsch reagiert wird. Dadurch entstehen möglicherweise Schäden an Menschen oder Maschinen. Des Weiteren darf die bewusste Manipulation nicht vergessen werden. Hacker könnten Kontrolle über die Systeme bekommen. Deswegen müssen die Systeme besonders gut gegen solche Angriffe geschützt werden. Es ist wichtig bei CPS die Sicherheit und Datenschutz auf dem Schirm zu haben. Da CPS stark vernetzt sind, sind sie anfällig für Cyberangriffe, weshalb die Sicherheit von CPS eine Priorität ist.

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