Cyber-physisches System

Begriff und Bedeutung

Ein cyber-physisches System (CPS; englisch „cyber-physical system“) ist ein Verbund aus informatischen und softwaretechnischen Komponenten sowie mechanischen und elektronischen Teilen. Diese Teile kommunizieren über eine Dateninfrastruktur, zum Beispiel das Internet.

CPS sind durch einen hohen Grad an Komplexität gekennzeichnet. Sie entstehen, indem eingebettete Systeme – Systeme, die in technische Geräte integriert sind – über drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsnetze vernetzt werden. Der Begriff dient als Grundlage für die Erforschung und Entwicklung großer, verteilter und komplexer Systeme. Beispiele für solche Aufgaben sind die Weiterentwicklung des deutschlandweiten Stromnetzes zu einem intelligenten Stromnetz und Industrieproduktionsanlagen, die sich hoch dynamisch an jeweilige Produktionserfordernisse anpassen.

Einsatzbereiche und Beispiele

Cyber-physische Systeme können unter anderem in höchst zuverlässigen medizinischen Geräten und Systemen, altersgerechten Assistenzsystemen (AAL), IT-Systemen zur Verkehrssteuerung und Verkehrslogistik sowie vernetzten Sicherheits- und Fahrerassistenzsystemen für Automobile eingesetzt werden.

Weitere Anwendungsfelder sind industrielle Prozesssteuerungs- und Automationssysteme, Systeme zur Umweltbeeinflussung und Umweltbeobachtung, Energieversorgungsmanagementsysteme, militärische Systemvernetzungssysteme sowie Infrastruktursysteme für Kommunikation und Kultur.

Typische Anwendungen

Als Anwendungsbeispiele werden Smart Grids, E-Health, Industrie 4.0 – zum Beispiel bei pneumatischen Systemen –, Frühwarnsysteme und das German Indonesian Tsunami Early Warning System genannt.

Forschungsfragen und Förderung

Im anglo-amerikanischen Raum wird besonders an einer Theorie cyber-physischer Systeme gearbeitet. Dabei ist eine klare Abgrenzung zu anderen Trends und Entwicklungsrichtungen komplexer informations- und kommunikationstechnischer Systeme wichtig. Akademische Untersuchungen befassen sich außerdem mit Herausforderungen bei der Konstruktion solcher Systeme.

Dazu zählen die Reduktion von Komplexität und die Entwicklung stabilisierender Steuerungsarchitekturen, verteilte Sensornetzwerke, die Gewinnung von Wissen und Erkenntnissen aus dem System, die Interaktionskomplexität sowie die verlässliche Integration von Standardkomponenten. Weitere Fragen betreffen das Zusammenwirken von Sensorik, Aktorik und Steuerung, die Verifikation – also die Überprüfung – cyber-physischer Systeme und deren Sicherheit.

In Deutschland fördert die Bundesregierung im Rahmen der „Hightech-Strategie für Deutschland“ Untersuchungen zur Weiterentwicklung industrieller Produktionsanlagen und -prozesse. Damit sollen bereits stark informatikgestützte Industriezweige bei Einführung und Nutzung weitverzweigter Netzwerkstrukturen für eingebettete Systeme unterstützt werden. Genannt werden die Spitzencluster „it’s OWL – Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe“ und „MicroTEC Südwest – The Cluster for Smart Solutions“.

Verwendete Technologien

Für cyber-physische Systeme werden Sensornetze, Internet-Infrastruktur, Echtzeitverarbeitung, eingebettete Systeme und Autonomic Computing verwendet.