> Cyber-Physical Systems€¦ · Cyber-Physical Systems nicht aus dem Blick verlieren. Bei der...

gt Cyber-Physical Systems

Innovationsmotor fuumlr Mobilitaumlt Gesundheit Energie und Produktion

acatech (Hrsg)

acatech POSITIONDezember 2011

Titel

Herausgeberacatech ndash Deutsche Akademie der Technikwissenschaften 2011

GeschaumlftsstelleResidenz MuumlnchenHofgartenstraszlige 280539 Muumlnchen

T +49(0)895203090F +49(0)895203099

E-Mail infoacatechdeInternet wwwacatechde

Koordination Ariane HellingerRedaktion Ariane Hellinger Linda ToumlnskoumltterLektorat Heinrich SeegerLayout-Konzeption acatechKonvertierung und Satz Fraunhofer-Institut fuumlr Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS Sankt Augustin

Die Originalfassung der Publikation ist verfuumlgbar auf wwwspringerlinkcom

HauptstadtbuumlroUnter den Linden 1410117 Berlin T +49(0)30206309610F +49(0)30206309611

Inhalt

gt INHalT

KurzfaSSuNG 5

PrOjEKT 8

1 CybEr-PHySICal SySTEMS ndash WaNDEl IN WIrTSCHafT uND GESEllSCHafT 10

2 CybEr-PHySICal SySTEMS ndash DIE PHySIKalISCHE uND DIE vIrTuEllE WElT vErSCHMElzEN 1321 Motor fuumlr Innovation und Prozess optimierung 1322 Treiber der Entwicklung von Cyber-Physical Systems 1524 Von der Vision zur Realitaumlt ndash wie entstehen Cyber-Physical Systems 17

3 zuKuNfTSPOTENzIal vON CybEr-PHySICal SySTEMS ndash 2025 2031 Cyber-Physical Systems fuumlr das Smart Grid 2032 Cyber-Physical Systems fuumlr vernetzte Mobilitaumlt 2033 Cyber-Physical Systems in der Telemedizin und fuumlr betreutes Wohnen 2234 Cyber-Physical Systems fuumlr die Fabrik der Zukunft 23

4 HErauSfOrDEruNGEN DurCH CybEr-PHySICal SySTEMS fuumlr DEuTSCHlaND 2441 Wissenschaftliche Herausforderungen 2442 Technologische Herausforderungen 2543 Wirtschaftliche Herausforderungen 2644 Politische Herausforderungen 2745 Gesellschaftliche Herausforderungen 27

5 THESEN zur ENTWICKluNG vON CybEr-PHySICal SySTEMS IN DEuTSCHlaND 29

6 HaNDluNGSEMPfEHluNGEN 3161 Festigung der Position Deutschlands zu Cyber-Physical Systems 3162 Beherrschung der Entwicklung von Cyber-Physical Systems 3163 Cyber-Physical Systems als Teil sozio-technischer Systeme 3264 Neue Geschaumlftsmodelle durch Cyber-Physical Systems 3265 Schluumlsselrolle des Mittelstandes fuumlr Cyber-Physical Systems 3366 Wirtschaftliche Bedeutung der Mensch-Maschine-Interaktion 3367 Forschungsfoumlrderung bdquoStaumlrken staumlrkenldquo 3468 Schwaumlchen kompensieren 3669 Wissenschaftliche Fundierung 36610 Politische Rahmenbedingungen schaffen 37

7 aNHaNG 38

lITEraTur 42

5

Kurzfassung

KurzfaSSuNG

Eingebettete Systeme aus Elektronik und Software sind maszliggebliche Innovationstreiber fuumlr Export- und Wachstums-maumlrkte der deutschen Industrie Sie erweitern entscheidend die Funktionalitaumlt und damit den Gebrauchswert sowie die Wettbewerbsfaumlhigkeit von Fahrzeugen Flugzeugen von medizinischen Geraumlten von Produktionsanlagen und Haus-haltsgeraumlten Schon heute arbeiten etwa 98 Prozent der Mi-kroprozessoren eingebettet uumlber Sensoren und Aktoren mit der Auszligenwelt verbunden Zunehmend werden sie unterei-nander und in das Internet vernetzt Die physikalische Welt verschmilzt mit der virtuellen Welt dem Cyberspace Es ent-stehen Cyber-Physical Systems (CPS) die Teil einer zukuumlnf-tig global vernetzten Welt sind in der Produkte Geraumlte und Objekte mit eingebetteter Hardware und Software uumlber An-wendungsgrenzen hinweg interagieren Mithilfe von Senso-ren verarbeiten diese Systeme Daten aus der physikalischen Welt und machen sie fuumlr netzbasierte Dienste verfuumlgbar die durch Aktoren direkt auf Vorgaumlnge in der physikalischen Welt einwirken koumlnnen Die physikalische Welt wird durch Cyber-Physical Systems mit der virtuellen Welt zu einem In-ternet der Dinge Daten und Dienste verknuumlpft

Erste Ansaumltze zu Cyber-Physical Systems gibt es bereits heute ndash etwa in Form vernetzter Navigationssoftware Zur verbesserten Routenfuumlhrung leitet sie mithilfe von Mobil-funkdaten Stauinformationen aus aktuellen Bewegungspro-filen ab Weitere Beispiele sind Assistenz- oder Verkehrssteu-erungssysteme aus den Bereichen Avionik oder Zugverkehr Hier greifen die Systeme aktiv steuernd ein

Zukuumlnftige Cyber-Physical Systems werden in bisher kaum vorstellbarer Weise Beitraumlge zu Sicherheit Effizienz Kom-fort und Gesundheit der Menschen leisten Sie tragen damit zur Loumlsung zentraler Herausforderungen unserer Gesellschaft bei wie die alternde Bevoumllkerung Ressourcen-knappheit Mobilitaumlt oder Energiewandel um nur einige wesentliche Anwendungsfelder zu nennen Als Teil eines Smart Grids steuern Cyber-Physical Systems das kuumlnftige

Energienetz bestehend aus einer Vielzahl von Erzeugern regenerativer Energie Sie werden in Zukunft den Verkehr durch Koordination sicherer machen und den CO

sup2-Ausstoszlig reduzieren Moderne Smart-Health-Systeme vernetzen Pati-enten und Aumlrzte ermoumlglichen Ferndiagnosen und die me-dizinische Versorgung zu Hause Internetbasierte Systeme zur Fernuumlberwachung autonom arbeitender Produktions-systeme entstehen fuumlr die industrielle Produktion Logistik und das Transport wesen Ein naumlchster Schritt geht in die Selbst organisation Maschinen regeln ihre Wartungs- und Instandhaltungsstrategie je nach Belastungsgrad autonom und sorgen bei wartungsbedingter Unterbrechung fuumlr Er-satzkapazitaumlten zur Aufrechterhaltung der Produktion

Auf die Marktstrukturen wirken Cyber-Physical Systems hoch disruptiv Sie werden Geschaumlftsmodelle und die Wett-bewerbssituation grundlegend veraumlndern Neue An bieter von Diensten auf Basis von Cyber-Physical Systems draumlngen in die Maumlrkte Revo lutionaumlre Anwendungen ermoumlglichen neue Wertschoumlpfungsketten die klassische Branchen wie etwa die Automobilindustrie Energiewirtschaft und Pro-duktionstechnik transformieren

Wissenschaft und Forschung werden durch Cyber-Physical Systems vor neue Herausforderungen gestellt Wie ist mit heterogenen vernetzten Gebilden umzugehen die eine ganzheitliche systemische Sicht und interdisziplinaumlre Zu-sammenarbeit von Maschinenbau Elektrotechnik und In-formatik erfordern Wie sind Cyber-Physical Systems tech-nisch zu beherrschen wie sind sie zu bauen zu steuern kontrollieren und warten

Deutschland ist bei eingebetteten Systemen weltweit fuumlh-rend und nimmt auch im Markt fuumlr Sicherheitsloumlsungen und Unternehmenssoftware eine Spitzenstellung ein Zudem besitzt Deutschland traditionell eine hohe Engineering-Kompetenz bei der Entwicklung komplexer Systemloumlsungen und verfuumlgt uumlber umfassendes Forschungs-Know-how bei

6

Cyber-Physical Systems

semantischen Technologien und eingebetteten Systemen Trotz dieser guumlnstigen Ausgangslage darf Deutschland seine Schwachstellen hinsichtlich der Entwicklung von Cyber-Physical Systems nicht aus dem Blick verlieren Bei der Internet kompetenz ndash gleichermaszligen in Forschung und Anwendungen bei Entwicklungs plattformen Be treiber-modellen und innovativen Loumlsungen fuumlr benutzerzentrierte Mensch-Maschine-Schnitt stellen ndash gibt es hierzulande Nach-holbedarf Die US-amerikanische National Science Found-ation hingegen foumlrdert das Thema Cyber-Physical Systems seit 2006 mit zahlreichen Projekten und Programmen1

Will sich Deutschland mit innovativen Cyber-Physical Sys-tems im internationalen Wettbewerb einen fuumlhrenden Platz sichern ist aufgrund des engen Zeitfensters eine schnelle Reaktion der Politik gemeinsam mit den Beteiligten aus Wissenschaft Wirtschaft und Gesellschaft geboten Ziel muss die Beherrschung der Technologie ihre wirtschaftli-che Nutzung und die Ausrichtung auf gesellschaftliche Akzeptanz von Cyber-Physical Systems sein Unter Beruumlck-sichtigung der Nationalen Roadmap Embedded Systems (NRMES) 20092 zur weiteren Entwicklung von eingebet-teten Systemen empfiehlt acatech zur Bewaumlltigung der mit Cyber-Physical Systems verbundenen technologischen wirtschaftlichen gesellschaft lichen und politischen Heraus-forderungen

1 Als technische voraussetzungen fuumlr Cyber-Physical Systems sind mobile Internetzugaumlnge und Zugriffsmoumlg-lichkeiten auf die physikalische Infrastruktur durch ge-eignete Sensorik und Aktorik Algorithmen fuumlr das ad-aptive Verhalten vernetzter Systeme sowie Ontologien zur Kopplung solcher autonomen Systeme zu foumlrdern Entwicklungs- und Betreiberplattformen sind auf- und auszubauen

2 Interoperabilitaumltsstandards muumlssen erarbeitet Stan-dardisierungsaktivitaumlten in internationalen Gremien unterstuumltzt werden

3 Das Gebiet der Mensch-Maschine-Interaktion muss in Forschung Ausbildung und praktischer Umsetzung er-schlossen werden Human Factors wie die zugeschnitte-ne Logik des Workflows die situative Angemessenheit die Bedienbarkeit von Geraumlten oder Fragen der Ergono-mie muumlssen ganzheitlich erforscht werden

4 Die bestehende Rechtslage ist hinsichtlich der Sicher-heit von Cyber-Physical Systems anzupassen vor allem im Hinblick auf den Datenschutz Eine Arbeitsgruppe aus Wissenschaftlern Juristen und Politikern ist einzu-setzen die ein Konzept fuumlr den Umgang mit personen-bezogenen Daten in Cyber-Physical Systems entwickelt

5 Es sollte ein Dialog zum Nutzen gesellschaftlicher Inno-vationen durch Cyber-Physical Systems initiiert werden Es gilt die Bevoumllkerung in die Entwicklung von Cyber-Physical Systems einzubeziehen und sie uumlber Sicher-heitsfragen aufzuklaumlren

6 Es sollten spezifische Plattformen etabliert werden um neue Geschaumlftsmodelle fuumlr Cyber-Physical Systems zu erproben Im Rahmen einer Begleitforschung sollten diese Geschaumlftsmodelle analysiert werden

7 Plattformen und Verbundprojekte zur Foumlrderung von Cyber-Physical Systems sind zu schaffen die den Mit-telstand gezielt einbinden KMUs sollten vereinfachten Zugang zu Forschungsprojekten erhalten Ausgruumlndun-gen insbesondere aus Universitaumlten sind zu foumlrdern

1 Vgl National Science Foundation 20112 Vgl ZVEI 2009


7

8 Ein zentrales nationales forschungs- und Kompetenz-zentrum fuumlr das Internet der Dinge Daten und Dienste und das World Wide Web ist einzurichten das alle The-men im Umfeld globaler Netze behandelt

9 Existierende Studien- und ausbildungsgaumlnge (Infor-matik Ingenieurwissenschaften Betriebswirtschaft) sind an die Erfordernisse von Cyber-Physical Systems anzupassen Neue interdisziplinaumlre Studiengaumlnge zu Cyber-Physical Systems sind zu schaffen

10 Die deutsche Wissenschaft sollte sich besonders in-terdisziplinaumlren Projekten zu Cyber-Physical Systems widmen Integrierte und interdisziplinaumlre forschungs-themen zu Cyber-Physical Systems sollten in Innovati-onsallianzen aus Industrie und Forschung besonders gefoumlrdert werden

11 Die Einrichtung entsprechender CPS-Schaufenster zu Pilotanwendungen und anderer wirksamer Vermitt-lungsformen (wie Living Labs) kann dazu beitragen fuumlr das Thema fruumlhzeitig innerhalb relevanter Fachkreise und insbesondere im Mittelstand aber auch in der brei-ten Oumlffentlichkeit Aufmersamkeit zu schaffen

Grundlegend fuumlr den Erfolg von Cyber-Physical Systems ist die Akzeptanz dieser neuen Technologien in der Gesell-schaft Cyber-Physical Systems heben die Anforderungen an den Datenschutz und die Informationssicherheit auf eine neue Stufe Kuumlnftig flieszligen Daten von hoher Wichtigkeit in ungeheuer groszligen Volumina durch die Netze Von der Sicherheit und Transparenz der Datenfluumlsse haumlngt auch das Vertrauen der Bevoumllkerung in die neuen Technologien ab

Cyber-Physical Systems haben groszlige Bedeutung fuumlr eine Vielzahl zentraler Zukunftsthemen Darum ist es unerlaumlss-lich dass die Bundesregierung Cyber-Physical Systems in den Energie- und Rohstoffstrategien aber auch in der High-tech- und der IKT-Strategie beruumlcksichtigt Und schlieszliglich muss auch das Thema Energiewandel Teil einer Gesamtstra-tegie Cyber-Physical Systems werden

Kurzfassung

8


PrOjEKT

Diese Position entstand auf Grundlage der acatech STUDIE agendaCPS Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems

gt PrOjEKTlEITuNG

Prof Dr Dr hc Manfred Broy Technische Universitaumlt Muumlnchen

gt faCHlICHE lEITuNG

Dr Eva Geisberger fortiss GmbH

gt PrOjEKTGruPPE

mdash Prof Joseacute L Encarnaccedilatildeo Technische Universitaumlt Darmstadt mdash Prof Otthein Herzog Universitaumlt Bremen und Jacobs University Bremen mdash Prof Wolfgang Merker mdash Dr Heinz Derenbach Robert Bosch GmbH mdash Dr Reinhard Stolle BMW AG mdash Hannes Schwaderer Intel GmbH mdash Prof Werner Damm Universitaumlt Oldenburg (Sprecher des Beirats)

gt rEvIEW

mdash Prof Dr Juumlrgen Gausemeier Universitaumlt Paderborn mdash Prof Dr Jan Lunze Ruhr-Universitaumlt Bochum mdash Prof Dr Friedemann Mattern Eidgenoumlssische Technische Hochschule (ETH) Zuumlrich mdash Prof Dr Franz Rammig Universitaumlt Paderborn

acatech dankt allen externen Fachgutachtern Die Inhalte der vorliegenden Position liegen in der alleinigen Verantwortung von acatech

gt KONSOrTIalParTNEr

fortiss GmbH

gt aufTraumlGE

mdash BICCnet Bavarian Information and Communication Technology Cluster mdash Fraunhofer IOSB mdash SafeTrans e V mdash OFFIS e V

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Projekt

gt auTOrEN

mdash Dr Eva Geisberger fortiss GmbH mdash Dr Mariacutea Victoria Cengarle fortiss GmbH mdash Patrick Keil fortiss GmbH mdash Juumlrgen Niehaus SafeTRANS eV mdash Dr Christian Thiel BICCnet mdash Hans-Juumlrgen Thoumlnniszligen-Fries ESG Elektroniksystem- und Logistik GmbH

gt PrOjEKTKOOrDINaTION

mdash Ariane Hellinger acatech Geschaumlftsstelle mdash Dr Christian Thiel BICCnet Cluster

gt PrOjEKTvErlauf

Projektlaufzeit 1 Mai 2010 ndash November 2011 Diese acatech POSITION wurde im November 2011 durch das acatech Praumlsidium syndiziert

gt fINaNzIEruNG

Das Projekt wurde im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung durch das Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung gefoumlrdert (Foumlrderkennzeichen 01| S10032A und 01| S10032B)

Projekttraumlger Projekttraumlger im Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR) Software systeme und Wissenstechnologien

acatech dankt auszligerdem den folgenden Unternehmen fuumlr ihre Unterstuumltzung BMW AG Robert Bosch GmbH Intel GmbH

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1 CybEr-PHySICal SySTEMS ndash WaNDEl IN WIrTSCHafT uND GESEllSCHafT

Informations- und Kommunikationstechnologien sind starke Trei-ber von Innovationen Als zwei wesentliche Motoren wirken dabei

mdash eingebettete software-intensive Systeme wie sie sich heute in nahezu allen Produkten und Systemen der Hochtechnologie finden etwa in Geraumlten Fahrzeugen Flugzeugen Gebaumluden oder Produktionsanlagen deren Funktionalitaumlt sie entscheidend praumlgen

mdash globale Netze wie das Internet und die im World Wide Web verfuumlgbaren Daten und Dienste

Diese zwei starken Innovationsfelder wachsen zu Cyber-Physical Systems zusammen Eine zunehmende Anzahl von Geraumlten und Objekten enthalten mittlerweile eingebettete Rechner die mit der physikalischen Welt uumlber Sensoren und Aktoren interagieren und miteinander Daten austauschen Mobile Endgeraumlte wie Smartphones begleiten mittlerweile Millionen von Menschen RFID- (Radio Frequency Identifica-tion) Technologie wird eingesetzt etwa um Milliarden von Transportvorgaumlngen automatisch zu uumlberwachen Vormals geschlossene Systeme oumlffnen sich zunehmend und sind mit

Eingebettete Systemez B Airbag

Vernetzte eingebettete Systemez B autonomes Fliegen

Cyber-Physical Systemsz B intelligente vernetzte Kreuzung

Vision Internet der Dinge Daten und Dienstez B Smart City

Abbildung 1 Die Evolution eingebetteter Systeme zum Internet der Dinge Daten und Dienste

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Wandel in Wirtschaft und Gesellschaft

anderen Systemen zu vernetzten Anwendungen verbun-den Die physikalisch reale Welt wird durch Cyber-Physical Systems nahtlos mit der virtuellen Welt der Informations-technik zu einem Internet der Dinge Daten und Dienste verknuumlpft

Abb 1 veranschaulicht die Vision vom globalen bdquoInternet der Dinge Daten und Diensteldquo als evolutionaumlre Weiterent-wicklung eingebetteter Systeme durch ihre Vernetzung uumlber das Internet Den Ausgangspunkt bilden geschlossene ein-gebettete Systeme zum Beispiel Airbags Fuumlr den Schritt zu lokal vernetzen eingebetteten Systemen wurden bereits 2009 in der Nationalen Roadmap Embedded Systems Empfehlungen erarbeitet Die acatech STUDIE agendaCPS erweitert das Spektrum in die globale Vernetzung Ein Bei-spiel stellt eine intelligente Kreuzung dar die Daten aus Staumeldungen nutzt

Cyber-Physical Systems sind eine sogenannte enabling technology die zahllose innovative Anwendungen moumlglich macht Die tiefgreifenden Aumlnderungen und Herausforde-rungen im Kontext von Cyber-Physical Systems muumlssen im Zusammenhang und in Wechselwirkung mit weiteren Inno-vationsgebieten moderner Technologie gesehen werden Sie werden im Folgenden umfassend beschrieben

Die Entwicklungsgeschwindigkeit der Informations- und Kommunikations technologien ist rasant entsprechend dem sogenannten bdquoMoorersquoschen Gesetzldquo Gordon Moore Mitbegruumlnder des Prozessorherstellers Intel hatte 1965 postuliert dass sich die Anzahl von Schaltkreisen auf einem Chip und damit die Rechenleistung digitaler Systeme bei gleichem Preis innerhalb von eineinhalb Jahren verdoppelt Dieses exponentielle Wachstum der Leistungsfaumlhigkeit di-gitaler Systeme der Informationsverarbeitung stimuliert ein enges Wechselspiel aus technologischer Innovation wirtschaftlicher Dynamik und gesellschaftlichem Wandel

Cyber-Physical Systems befoumlrdern diese Dynamik indem sie physikalische Prozesse mit der virtuellen Welt verknuumlpfen Richtig eingesetzt leisten Cyber-Physical Systems maszliggeb-liche Beitraumlge zum Bewaumlltigen zentraler ge sellschaftlicher Herausforderungen wie der alternden Gesellschaft dem Klimawandel Gesundheit Sicher heit der Energiewende Mega Cities der Ressourcenknappheit Nachhaltigkeit Globali sierung und Mobilitaumlt Dies wird in den Szenarien der acatech STUDIE agendaCPS3 verdeutlicht Verstaumlrkt wird diese Entwicklung durch die schnelle Ausbreitung globaler digitaler Netze wie das Internet und der globa-le Zugriff auf Daten und Dienste durch das sogenannte Cloud Computing Cloud Computing beschreibt ein neues Informatikparadigma nach dem Ressourcen der Informati-onstechnik (IT) also Rechenleistung Speicher Applikatio-nen und Daten dynamisch uumlber Netzwerke bereitgestellt verwaltet und abgerechnet werden IT-Ressourcen koumlnnen somit dynamisch bdquoaus der Wolkeldquo bezogen und genutzt werden4

Die Bundesregierung foumlrdert die Erforschung wesentlicher Aspekte von Cyber-Physical Systems bereits seit 2005 im Rahmen der Hightech-Strategie 2020 und der IKT-Strategie 2015 Zudem wurden in der Nationalen Roadmap Embed-ded Systems (NRMES) 2009 umfangreiche Handlungsemp-fehlungen zur gezielten Foumlrderung eingebetteter Systeme erarbeitet Die in der NRMES aufgefuumlhrten Defizite und He-rausforderungen sind ndash auch fuumlr Cyber-Physical Systems ndash nach wie vor aktuell

mdash Die Rolle von Cyber-Physical Systems als Querschnitts-technologie und Innovationstreiber wird in der Industrie noch nicht ausreichend wahrgenommen

mdash Branchenuumlbergreifende Standardisierungen fehlen mdash Hersteller einzelner Komponenten sind mangelhaft ver-

netzt mdash Heterogenitaumlt und Inselloumlsungen herrschen vor

3 Die ausfuumlhrliche acatech Studie agendaCPS wird voraussichtlich im Maumlrz 2012 publiziert (GeisbergerBroy 2012)4 Vgl Aktionsprogramm Cloud-Computing des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Technologie (Oktober 2010) BMWi 2010a S 10

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mdash Oft existiert eine Abhaumlngigkeit von einzelnen Anbietern mit daraus resultierenden wirtschaftlichen Problemen

mdash Es herrscht Nachwuchsmangel an qualifizierten Ingeni-euren

acatech empfiehltdie weitere konsequente Umsetzung der Handlungsemp-fehlungen aus der Nationalen Roadmap Embedded Sys-tems 2009 und die Fortsetzung der in der Hightech-Strate-gie 2020 aufgefuumlhrten Aktionslinie bdquoIntelligente Objekteldquo

Die vorliegende Position und die ihr zugrunde liegende Studie agendaCPS wollen einen Beitrag auf dem Weg zum Internet der Dinge Daten und Dienste leisten um Deutsch-lands Wettbewerbsfaumlhigkeit angesichts des rasanten Wan-dels im IKT-Bereich zu erhalten und auszubauen Ziel ist es Deutschland nicht nur als Technologiefuumlhrer fuumlr einzelne Komponenten oder Technologien fuumlr Cyber-Physical Sys-tems sondern als globalen Innovationsfuumlhrer fuumlr Loumlsungen durch Cyber-Physical Systems zu etablieren

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Physikalische und virtuelle Welt verschmelzen

Cyber-Physical Systems sind Systeme mit eingebetteter Soft-ware (als Teil von Geraumlten Gebaumluden Verkehrsmitteln Ver-kehrswegen Produktionsanlagen medizinischen Prozessen Logistik- Koordinations- und Managementprozessen) die

mdash uumlber Sensoren unmittelbar physikalische Daten erfas-sen und durch Aktoren auf physikalische Vorgaumlnge einwirken

mdash erfasste Daten auswerten und speichern und aktiv oder reaktiv mit der physikalischen sowie der digitalen Welt interagieren

mdash uumlber digitale Kommunikationseinrichtungen unterein-ander sowie in globalen Netzen verbunden sind (draht-los undoder drahtgebunden lokal undoder global)

mdash weltweit verfuumlgbare Daten und Dienste nutzen mdash uumlber eine Reihe dedizierter multimodaler Mensch-Ma-

schine-Schnittstellen verfuumlgen

Aus der Verbindung eingebetteter Systeme mit globalen Netzen resultiert eine Fuumllle weitreichender Loumlsungs- und Anwendungsmoumlglichkeiten fuumlr alle Bereiche unseres All-tagslebens In der Folge entstehen neuartige Geschaumlfts-moumlglichkeiten und -modelle auf der Basis von Plattformen und Firmennetzwerken Eine technische Herausforderung ist es dabei die Besonderheiten eingebetteter Systeme ndash zum Beispiel Echtzeitanforderungen ndash mit den Charakteris-tika des Internets wie etwa der Offenheit der Systeme zu integrieren

21 MOTOr fuumlr INNOvaTION uND PrOzESS-OPTIMIEruNG

Die Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) weist seit ihrem Bestehen eine Folge schneller technologischer Fortschritte auf Immer staumlrker miniaturisierte integrierte Schaltungen das exponentielle Wachstum von Rechen-

leistung und Bandbreite in Netzwerken aber auch immer leistungsfaumlhigere Suchmaschinen im Internet sind nur ei-nige Beispiele Informationstechnik (IT) ist allgegenwaumlrtig Ubiquitous Computing ist damit Wirklichkeit Dabei fuumlhrt der Fortschritt in der Informations- und Kommunikations-technik nicht nur zur horizontalen Verbindung von vormals getrennten Branchen sondern auch zunehmend zur verti-kalen Integration von IKT als Teil von Produkten Nahezu jede Branche nutzt heute IKT nicht nur zur Verbesserung ih-rer internen Prozesse sondern auch zur Verbesserung ihrer Produkte In der Automobilbranche hat beispielsweise ein Wettlauf um die Vernetzung der Fahrzeuge begonnen5

Die beschriebene Dynamik wirkt sich stark auf Geschaumlfts-modelle und Zukunfts perspektiven einer Vielzahl von Branchen aus in denen Deutschland eine Vorreiterrolle einnimmt Cyber-Physical Systems besitzen enormes Innova-tionspotenzial das zu einem grundlegenden Wandel in der Wirtschaft sowie im privaten und beruflichen Alltag fuumlhrt

Kaum eine Branche zeigt das Potenzial aber auch die Be-deutung von Cyber-Physical Systems plakativer als die automobilbranche Der weitaus groumlszligte Teil der Innovati-onen zur Erhoumlhung von Sicherheit Komfort oder Effizienz entsteht dort bereits heute durch eingebettete Systeme In Zukunft werden verstaumlrkt Cyber-Physical Systems zum Einsatz kommen um Fahrzeuge umfassend zu vernetzen und zwar sowohl miteinander als auch mit Objekten Da-ten und Diensten auszligerhalb des Fahrzeugs Da die Auto-mobilindustrie mit rund 20 Milliarden Euro mehr als ein Drittel der gesamten industriellen Forschungs- und Entwick-lungsinvestitionen in Deutschland taumltigt und ca 715000 Arbeitsplaumltze bietet6 ist es fuumlr den Wirtschaftsstandort Deutschland unerlaumlsslich bei Forschung Entwicklung und Einsatz von Cyber-Physical Systems eine fuumlhrende Rolle an-zustreben Gerade die Verbindung mit dem Thema Elektro-mobilitaumlt bietet hier groszlige Chancen Zum Beispiel ist ein

2 CybEr-PHySICal SySTEMS ndash DIE PHySIKalISCHE uND DIE vIrTuEllE WElT vErSCHMElzEN

5 Vgl CARIT 20116 Bretthauer 2009

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Routenmanagement fuumlr batteriebetriebene Autos ohne Cyber-Physical Systems gar nicht denkbar

Die Medizintechnik ist eines der groumlszligten Wachstumsfelder weltweit Die Investitionen in Forschung und Entwicklung machen in der Branche rund acht Prozent des Umsatzes aus ndash etwa doppelt so viel wie im Durchschnitt der Industrie7

Es wird geschaumltzt dass die Umsaumltze in der Medizintechnik bis 2020 in Deutschland um etwa acht Prozent pro Jahr zu-nehmen Neben telemedizinischer Patientenuumlberwachung Geraumltevernetzung und der Erweiterung der Funktionalitaumlt vorhandener Geraumlte bieten Cyber-Physical Systems vielfaumllti-ge Moumlglichkeiten etwa fuumlr die Optimierung von Notfallein-saumltzen und die Effizienzsteigerung in Krankenhaumlusern Viele dieser Innovationen koumlnnen erst durch die Kommunikati-onsanbindung bisher isolierter Geraumlte und die Verknuumlpfung bisher getrennt erhobener und gehaltener Daten entste-hen Der demografische Wandel wird zu verstaumlrkter Nach-frage nach AAL-Loumlsungen (Ambient Assisted Living) fuumlhren die nur durch Cyber-Physical Systems realisierbar sind

Die weiterhin steigende Nachfrage nach Energie die gleich-zeitige Verknappung fossiler Ressourcen und die gestiegene Bedeutung des Klimaschutzes stellen Energiewirtschaft Energiekonsumenten (Unternehmen und Privathaushalte) und die Politik vor zahlreiche Herausforderungen Das Ener-giesystem muss sich an die schwankende Verfuumlgbarkeit von Strom aus erneuerbaren Energien oder die Dezentralisie-rung der Energiegewinnung anpassen Cyber-Physical Sys-tems spielen hier als wesentlicher Bestandteil intelligenter Stromnetze sogenannter Smart Grids eine entscheidende Rolle da Netzmanagement Verbrauchsoptimierung und Er-zeugungsplanung nur durch vernetzte Systeme umgesetzt werden koumlnnen

Auch im Maschinen- und anlagenbau bzw in der auto-matisierungstechnik8 werden das Potenzial aber auch die Herausforderungen von Cyber-Physical Systems deut-lich Die globale Vernetzung der Anlagen und Werke un-terschiedlicher Betreiber untereinander und mit uumlbergrei-fenden Produktionsplanungs- Energiemanagement- oder Lagersystemen ermoumlglicht Energieeinsparungen houmlhere Auslastungen und nicht zuletzt eine houmlhere Flexibilitaumlt

Vor allem im Bereich der Mobilkommunikation werden Cyber-Physical Systems zu groszligen Veraumlnderungen fuumlhren Vernetzung und Integration von mobilen Endgeraumlten mit umfassender Sensorik mithilfe einer zuverlaumlssigen und leistungsfaumlhigen Mobilfunk-Infrastruktur bilden die Grund-lage fuumlr viele Anwendungen von Cyber-Physical Systems Bis 2014 wird der Anteil der deutschen Bevoumllkerung der mobil das Internet nutzt von 21 auf mehr als 40 Prozent wachsen9 Auch lokalisierung und Navigation weisen gro-szlige Wachstumspotenziale auf Bis 2014 wird eine Verdoppe-lung des weltweiten Marktes fuumlr Endgeraumlte mit integrierten Satellitennavigationsempfaumlngern gegenuumlber dem Niveau von 2009 erwartet10

Ein weiterer Anwendungsbereich fuumlr Cyber-Physical Systems ist die landwirtschaft die mithilfe von Informationstechnik bereits heute Vorgaumlnge optimiert Uumlbergreifende intelligen-te Systeme verknuumlpfen GPS-Ortung Uumlberwachungstechnik und Sensornetze um den aktuellen Zustand von Ackerflauml-chen zu bestimmen und unterstuumltzen landwirtschaftliche Erzeuger bei der optimierten Duumlngung der Felder Dadurch erhoumlht sich die Effizienz in Landwirtschaftsprozessen und Boumlden koumlnnen oumlkologisch sinnvoller genutzt werden

7 Studie im Auftrag der HSH Nordbank zur Zukunftsbranche Medizintechnik BraumluningerWohlers 20088 Im deutschen Maschinen- und Anlagenbau waren Ende 2010 etwa 913000 Menschen beschaumlftigt in zahlreichen Teilbranchen sind deutsche

Unternehmen Marktfuumlhrer Siehe VDMA 20119 BMWi 2010c Unverzichtbar fuumlr die staumlndige Vernetzung von Endgeraumlten ist die Einfuumlhrung und Durchsetzung der bdquoLong Term Evolutionldquo (LTE)-

Mobilfunkstandards und -Netze10 ABI Research 2009

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Im Bereich der Warentransportlogistik hat sich RFID als passive Technologie zur Identifikation Lokalisation und Statusermittlung durchgesetzt Bis jetzt erlauben diese Systeme jedoch nur Positionen von Waren vergleichsweise ungenau zu bestimmen und ihre Zustaumlnde nur recht selten zu aktualisieren Der Einsatz von Cyber-Physical Systems in der Logistik bietet mit intelligenten aktiven Objekten Chancen fuumlr neue Anwendungen etwa durchgaumlngiges Positions-Tracking sowie Zustandsabfragen in Echtzeit und eroumlffnet neue Moumlglichkeiten zur Planung und Kontrolle von Lieferungen Weltweites Tracking und Tracing von Origi-nalprodukten durch Cyber-Pysical Systems kann auch das Einschleusen von Plagiaten im Logistikprozess wirksam ver-hindern

Cyber-Physical Systems ermoumlglichen mehr Komfort Sicher-heit und Energieeffizienz (etwa durch intelligente Systeme fuumlr das Management dezentraler Energieerzeugung wie Photovoltaik) in der Heim- und Gebaumludeautomation11 beispielsweise in Wohngebaumluden In Gewerbe- und Produk-tionsgebaumluden kommen zusaumltzliche Potenziale hinzu etwa dann wenn Gebaumlude- mit Maschinensteuerungen inter-agieren Aufgrund derartiger Innovationen rechnet die Ge-baumludeautomationsbranche fuumlr das laufende Jahr 2011 mit einem Umsatzwachstum von fuumlnf Prozent12 Entscheidender Wachstumstreiber in der Zukunft ist dass sich Investitionen in Mess- Steuer- und Regeltechnik sowie die damit verbun-dene Gebaumludeleittechnik erheblich schneller amortisieren als Investitionen in andere energetische Maszlignahmen

Abgestuumltzt auf Plattformen aus Cyber-Physical Systems entstehen Verbuumlnde von Unternehmen aus unterschied-lichen Branchen und Industriesegmenten zur Gestaltung uumlbergreifender Dienstleistungsangebote Hardware- und Softwarehersteller Anwendungsfirmen und Telekommu-nikationsanbieter fuumlhren ihre Kompetenzen zusammen die fuumlr den Bau und Betrieb von Cyber-Physical Systems erforderlich sind Das ermoumlglicht branchenuumlbergreifende Produktinnovationen die bestehende Marktgrenzen igno-rieren und beschleunigt das Zusammenwachsen bisher getrennter Maumlrkte

22 TrEIbEr DEr ENTWICKluNG vON CybEr-PHySICal SySTEMS

Drei konvergente Trends foumlrdern die Entstehung und Ver-breitung von Cyber-Physical Systems

(1) Smart Embedded Systems mobile Dienste und bdquoubiqui-taumlresldquo Computing

Teil der Cyber-Physical Systems sind intelligente eingebette-te Systeme die bereits heute kooperativ und vernetzt agie-ren allerdings meist noch als geschlossene Systeme Vor al-lem in der Automobilbranche und der Luftfahrt aber auch in der Telekommunikations- und Automatisierungstechnik sowie in der Produktion existieren schon ortsungebundene Dienste und Assistenzfunktionen Durch zunehmende Ver-netzung Interaktion Kooperation und Nutzung von Mobi-litaumltsdiensten und weiteren Services aus dem Netz werden diese Dienste immer vielfaumlltiger und reifer

11 Das Einsparpotenzial ist enorm werden doch uumlber 40 Prozent der Energie in Deutschland in Gebaumluden verbraucht12 Vgl Pressemitteilung des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) vom 06012011 bdquoGebaumludeautomationsbranche rechnet mit

weiterem Wachstum in 2011ldquo unter wwwvdmaorg

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(2) Internetbasierte Geschaumlftsprozesse in zwei sich ergaumln-zenden Auspraumlgungen

a) Vor allem im Handel und in der Logistik werden bdquointel-ligenteldquo und vernetzte Objekte (etwa mittels RFID-Tech-nologie) genutzt Zunehmend wird dabei das digitale Produktgedaumlchtnis der Objekte auch fuumlr die Prozessop-timierung genutzt etwa beim Warenfluss Die Objekte passen sich flexibel an softwaregesteuerte Unterneh-mensprozesse an und interagieren uumlber das Web mit Kunden Diese koumlnnen beispielsweise uumlber das Internet verfolgen wo sich ein Produkt momentan innerhalb ei-ner Logistikkette befindet

b) IT-Services dieser Art werden zunehmend in die bdquoCloudldquo also an externe Dienstleister ausgelagert ihr Betrieb ist dadurch unabhaumlngig von einem Rechenzentrum an einem bestimmten Ort Die IT-Systeme muumlssen auch fuumlr die Auslagerung klassischer IT- und Verwaltungs-aufgaben aus den Unternehmen sowie fuumlr das Uumlber-tragen von Aufgaben im Zusammenhang mit Handel Logistik Prozesscontrolling und Billing in die Cloud geruumlstet sein Zunehmend werden Cloud Computing-Dienste auch fuumlr Endnutzer bereitgestellt etwa durch das Computer-Betriebssystem Google Chrome das sehr konsequent auf Cloud-Ressourcen setzt

Fuumlr Cyber-Physical Systems ist dieser Trend insofern relevant als erst das Business Web die Faumlhigkeiten der eingebetteten Systeme im Internet als Services nutzbar macht und damit eine Reihe webbasierter Geschaumlftsmodelle ermoumlglicht

(3) Soziale Netzwerke und Communities (Web 20) in zwei sich ergaumlnzenden Auspraumlgungen

a) Soziale Netzwerke deren Zweck Kommunikation und soziale Interaktion sind buumlndeln heute groszlige Mengen von Daten und Informationen Das gilt auch fuumlr offene Wissensnetzwerke Unternehmen nutzen zunehmend

Wiki-Systeme zur breit angelegten Bereitstellung von Informationen und Wissen Fuumlr die Unternehmen sind die Nutzer potenzielle Kunden und die Netzwerke po-tenzielle Werbe- und Vermarktungsplattformen Mit zunehmender Profilbildung und Spezialisierung der Teilnehmer entsteht die Nachfrage nach neuen Diens-ten etwa nach allgemeinen oder domaumlnenspezifischen bdquoApps (Applications)ldquo und vernetzten Anwendungen Endgeraumlte im Web 20 allen voran Smartphones und Tablets steuern explizit und implizit eine Vielzahl von Sensoren bei aus sozialen Netzwerken entsteht so un-versehens ein Cyber-Physical System Diesen Effekt gilt es aktiv und kontrolliert zu nutzen

b) Communities aus einzelnen oder eng gekoppelten Ent-wicklergruppen treiben die Innovation Sie sind meist um Entwicklungsplattformen organisiert dabei handelt es sich oft um Open-Source-Projekte die Software mit offenen Quellcodes entwickeln und zwar entweder in Selbstorganisation oder unter der Lenkung durch ein Unternehmen oder Konsortium Andere selbstorgani-sierte Communities sind auf bestimmte Anwendungs-felder spezialisiert werden also getrieben aus einer spe-ziellen Problemstellung von Nutzern und Kunden oder einem fachspezifischen sozialen Netzwerk

Durch das Zusammenspiel der drei Trends und die evolu-tionaumlre Dynamik von (3) mit zunehmender Nachfrage nach Loumlsungen aus (1) und (2) entsteht ein enormes In-novationspotenzial fuumlr neue Dienste und Loumlsungen Dieses Potenzial fuumlhrt wiederum zu dynamischen Veraumlnderungen in Maumlrkten in Industrie- und Geschaumlftszweigen und wirt-schaftlichen Oumlkosystemen sowie zu einem Wandel der Ge-schaumlftsmodelle

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23 CybEr-PHySICal SySTEMS ErfOrDErN INTErDISzI-PlINarITaumlT

Cyber-Physical Systems bestehen aus physikalischen ndash also mechanischen hydraulischen elektrischen- und weiteren Systemen sowie aus Elektronik und Software Sensorik Ak-torik Produktionstechnik Kommunikations- und Informa-tionstechnik sowie Softwaretechnik gehen eine enge Ver-bindung ein Die Herausforderung liegt in der Integration dieser sehr unterschiedlichen Disziplinen

Cyber-Physical Systems erfordern fuumlr alle Bereiche der Sys-temgestaltung und -beherrschung interdisziplinaumlres koope-ratives Arbeiten in Netzwerken und Verbuumlnden die dem Ziel der Innovation gewidment sind Das betrifft

mdash Entwicklung Produktion und Verwertung mdash Betrieb und Wartung mdash Dienstleistungen Beratung Anpassung und Weiterent-

wicklung mdash mittel- und langfristige Aufgaben der Strategieentwick-

lung und Evolution sowie mdash das umfassende Engineering der Systeme durch Un-

ternehmensverbuumlnde mit den gemeinsamen Aufgaben der Strategie- und Plattform kooperationen im Rahmen eines Unternehmensnetzwerks also eines wirtschaftli-chen Oumlkosystems

Um Cyber-Physical Systems zu verstehen und ihr gesam-tes Potenzial erschlieszligen zu koumlnnen ist zudem eine abge-stimmte integrierte Sicht von Wissenschaft Wirtschaft und Politik erforderlich

24 vON DEr vISION zur rEalITaumlT ndash WIE ENTSTEHEN CybEr-PHySICal SySTEMS

Cyber-Physical Systems werden in der Regel nicht als voll-staumlndig neue Systeme gebaut sondern sie entstehen in-dem existierende Infrastrukturen mit eingebetteter Infor-mationstechnik vernetzt werden ndash mithilfe von Internet Mobilfunkdiensten und Cloud-Loumlsungen Die Leistungsfauml-higkeit und Komplexitaumlt der neu entstehenden Systeme wird besonders bei der Vernetzung zwischen zwei oder mehr Domaumlnen deutlich wenn also Cyber-Physical Systems aus unterschiedlichen Anwendungsbereichen etwa Mobili-taumlt und Gesundheit miteinander verbunden und integriert werden (s Abb 2)

Abb 2 zeigt einen schalenartigen Aufbau zweier Anwen-dungsdomaumlnen (Mobilitaumlt und Gesundheit) und fasst ihre Komponenten Nutzergruppen und wechselseitigen Kom-munikationsbeziehungen schematisch zusammen Von be-sonderer Bedeutung sind die funktionalen Uumlberlappungen die wie folgt charakterisiert werden koumlnnen

mdash Kontrollierter Kernbereich Dieser Bereich umfasst her-koumlmmliche geschlossene eingebettete Systeme eines Anwendungsgebiets die durch kontrollierte Interaktion mit der Umgebung gekennzeichnet sind Ein Beispiel sind elektronische Mautstationen im Toll-Collect-Sys-tem Betriebssicherheit und Vorhersagbarkeit sind bei korrekter Bedienung gewaumlhrleistet

mdash Erweiterter anwendungsbereich Hier kooperieren Systeme und Komponenten des Anwendungsgebiets mit spezifiziertem Verhalten in vorherbestimmten Nut-zungssituationen (Beispiel Abrechnung in der Logistik) Voraussetzung fuumlr das Funktionieren sind Nutzer mit be-sonderer Ausbildung die sich regelkonform verhalten wie etwa Verkehrspiloten

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mdash Domaumlnenuumlbergreifende vernetzung Cyber-Physical Systems in offenen Umgebungen bestehen aus Nutzern Akteuren (auch in sozialen Netzen) Diensten (auch sol-chen die uumlber das Internet bereitgestellt werden) und Informationen mit dynamischer Einbindung unklarer Verlaumlsslichkeit und Verfuumlgbarkeit Die Herausforderung fuumlr die Gestaltung ist dass hier Nutzer und offene Syste-me ad hoc interagieren Ein Beispiel ist die dynamische Einbindung aktueller Verkehrsinformation zu Staus Flug- und Zugverspaumltungen sowie von Terminaumlnderun-gen in ein Assistenzsystem wodurch Reisen relativ zum Reiseverlauf und -status geplant werden koumlnnen

Als Basis fuumlr interoperable und kompatible Cyber-Physical Systems Komponenten und Dienste mit entsprechenden Schnittstellen und Protokollen gilt es standardisierte fle-xible Infrastrukturen und Kommunikationsplattformen all-maumlhlich aufzubauen (s Abb 3)

Abb 3 illustriert die idealtypische Schichtenstruktur von Cyber-Physical Systems Diese umfasst sowohl die Kommuni-kationsinfrastruktur mit grundlegenden Diensten (unterster Kasten) als auch die Middleware Auf dieser Basis koumlnnen anwendungsspezifische Plattformen aufgebaut werden die ihre Daten uumlber Schnittstellen austauschen Auf diesen

Bereich 1

Bereich 2

Bereich 3Bereich 1

Bereich 2

Bereich 3

Anwendungsdomaumlne X z B eHealthAnwendungsdomaumlne Y z B Mobility

sichere kontrollierte Kommunikation

unsichere unbestimmte Kommunikation

Beteiligte Nutzer Stakeholder

geschlossene Systeminteraktion zur Umgebung

Szenarioausschnitt zum Zeitpunkt t1 t2 t3

Komponenten Systeme Funktionen kontrollierte Dienste

Dienste (ad hoc vernetzt unsicher)

t1

t2t3

Abbildung 2 Schematische Darstellung der domaumlnenuumlbergreifenden Integration von Cyber-Physical Systems

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Plattformen werden Dienste fuumlr den gezielten Zugriff be-reitgestellt Dafuumlr muss eine fachliche Interoperabilitaumlt ge-geben sein die eine einheitliche Interpretation der Daten zwischen den Diensten gewaumlhrleistet Die oberste Schicht zeigt die Anwendungssicht auf die die Benutzer zugreifen

Entscheidend fuumlr eine Vernetzung von Cyber-Physical Sys-tems uumlber Anwendungsgrenzen hinweg ist dass Informa-tionen aus unterschiedichen Anwendungen semantisch kompatibel sind Diese bdquosemantische Interoperabilitaumltldquo er-moumlglicht letztlich das Zusammenspiel von Anwendungen

Eine Uumlbersicht uumlber die spezifischen Faumlhigkeiten der Cyber-Physical Systems ist im Anhang tabellarisch aufgefuumlhrt (Abb 7) die wichtigsten Eigenschaften sind in Spalten zu-sammengefasst Im Einzelnen werden die Kategorien

mdash eingebettete Systeme mit Anbindung an die physika-lische Umgebung in Echtzeit durch Sensoren und Ak-toren

mdash bdquoSystems of Systemsldquo (SoS) durch die Vernetzung von eingebetteten Systemen

mdash Adaptivitaumlt und Teilautonomie mdash kooperative Systeme mit verteilter Kontrolle mdash und umfassende Mensch-Maschine-Kooperation

aufgelistet Die letzte Spalte fasst wesentliche Faumlhigkeiten und geforderte Qualitaumltseigenschaften zusammen

Integrierte Kunden-und Nutzungsprozesse

Dienstintegrationentsprechend Nutzungsbedarf

Nutzersichtbare Interoperabilitaumlt

CPS Middleware Plattform Kommunikationsinfrastruktur mit grundlegenden Diensten

Domaumlnenspezifische Plattformund Architekturen

Mobility eHealth Factory

Technische Interoperabilitaumlt

Semantische Interoperabilitaumlt

Abbildung 3 Idealtypisches Schichtenmodell der Cyber-Physical Systems

20


3 zuKuNfTSPOTENzIal vON CybEr-PHySICal SySTEMS ndash 2025

Cyber-Physical Systems leisten Beitraumlge zu Antworten auf zentrale Heraus forderungen unserer Gesell schaft und sind fuumlr zahlreiche Branchen und Anwendungsfelder hoch re-levant Unternehmen bieten Cyber-Physical Systems Un-terstuumltzung bei der Prozessoptimierung folglich bei der Kosten- und Zeitein sparung und auszligerdem Hilfe beim Energiesparen und damit bei der Verringerung von CO2-Emissionen Fuumlr Privatanwender liegt der Nutzen von Cy-ber-Physical Systems vor allem in houmlherem Komfort etwa in Assistenz fuumlr Mobilitaumlt in vernetzter Sicherheit bei der indivi duellen medizinischen Versorgung und fuumlr aumlltere Men-schen auch im Bereich des betreuten Wohnens

In der Studie zu agendaCPS wurden fuumlr den Zeitraum bis 2025 in detaillierten Szenarien folgende vier Anwendungs-felder untersucht die fuumlr Deutschland hohe Relevanz be-sitzen

mdash Energie ndash Cyber-Physical Systems fuumlr das Smart Grid mdash Mobilitaumlt ndash Cyber-Physical Systems fuumlr vernetzte Mobilitaumlt mdash Gesundheit ndash Cyber-Physical Systems fuumlr Telemedizin

und Ferndiagnose mdash Industrie ndash Cyber-Physical Systems fuumlr die Industrie und

automatisierte Produktion Die folgenden Abschnitte sollen die Szenarien in Ausschnit-ten verdeutlichen Ausfuumlhrlich werden sie in der Studie des Projekts agendaCPS dargestellt

31 CybEr-PHySICal SySTEMS fuumlr DaS SMarT GrID

Die Energieversorgung in Deutschland wie auch in Europa steht vor einem Umbruch Jederzeit verfuumlgbare Energie aus konventionellen Kraftwerken (Kerntechnik Kohle und Gas) wird schrittweise durch Energie aus erneuerbaren Quellen ersetzt Der Wandel ist politisch und gesellschaftlich ge-wollt

Wind- und Sonnenenergie stehen ndash in Abhaumlngigkeit von Wetter und Tageszeit ndash nicht immer im gleichen Ausmaszlig zur Verfuumlgung Volatile und dezentral erzeugte Energie steht bis dato aber ungeregelt einem insbesondere zeitlich und regional sehr unterschiedlichen Verbrauch gegenuumlber Fuumlr eine stabile Energieversorgung jedoch muss im Elektrizi-taumltsnetz das Angebot stets die Nachfrage abdecken Dezen-tral erzeugte Energie und volatile Verfuumlgbarkeit erfordern umfassende Steuerung Dazu koumlnnen Energiewandlungen (beispielsweise Speicherung oder Strom-Gas-Transforma-tion) genutzt und Energiepreise in Abhaumlngigkeit von der Verfuumlgbarkeit des Stroms flexibel gestaltet werden Das setzt jedoch ein umfangreiches Informationsmanagement voraus das Verbrauchsdaten laufend erfasst Prognosen uumlber den Verbrauch erstellt und elektrische Verbraucher steuert Um eine zuverlaumlssige Stromversorgung auch in Zu-kunft zu gewaumlhrleisten muss das Stromnetz bdquointelligentldquo werden Stromerzeuger und -speicher die Netzsteuerung und elektrische Verbraucher muumlssen also miteinander ver-netzt werden So entsteht das bdquoInternet der Energieldquo dessen Umsetzung die Bundesregierung seit April 2007 mit dem Programm bdquoE-Energy ndash IKT basiertes Energiesystem der Zu-kunftldquo foumlrdert Migrationspfade auf dem Weg in ein solches bdquoFuture Energy Gridldquo beschreibt die Anfang 2012 erschei-nende acatech STUDIE gleichen Namens Die starke Ver-netzung durch Informations- und Kommunikationstechnik im Rahmen des Smart Grids ermoumlglicht auszliger der stabilen Energieversorgung zudem weitere vielfaumlltige Funktionen und Dienste Dafuumlr bilden Cyber-Physical Systems eine we-sentliche technologische Grundlage

32 CybEr-PHySICal SySTEMS fuumlr vErNETzTE MObIlITaumlT

Im Bedarfsfeld Mobilitaumlt also im Verkehr wird erst durch Cyber-Physical Systems eine umfassende Ver netzung der unterschiedlichen Transportmittel moumlglich Das gilt fuumlr

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Zukunftspotenzial

einzelne Fahrzeuge und Verkehrs teilnehmer aber auch fuumlr die gesamte Verkehrsinfrastruktur Die Vernetzung in Cyber-Physical Systems schafft neue Moumlglichkeiten Unfaumllle zu vermeiden mit begrenzten Energie ressourcen schonend umzugehen und die Umweltbelastung zu reduzieren

Insbesondere in der Elektro mobilitaumlt nehmen Cyber-Physi-cal Systems eine Schluumlsselrolle ein da sie die Grundlage fuumlr das Energie- Batterie- und Lademanagement liefern Das Potenzial von Cyber-Physical Systems geht jedoch weit daruuml-

ber hinaus Sie koumlnnen zum Beispiel mittels eines verteilten Verkehrsmanagements als Planungs- und Koordinations-assistenz dienen und auf unvorhergesehene Situationen wie Staus reagieren Das setzt voraus dass die einzelnen Systeme untereinander ununterbrochen Informationen aus-tauschen etwa in Echtzeit verfuumlgbare Wetterdaten oder Informationen zur Verkehrssituation zu Stoumlrungen und zur Verfuumlgbarkeit alternativer Reisemittel und -routen Abb 4 illustriert schematisch unterschiedliche Verkehrsmittel und ihre Vernetzung

Intermodale KommunikationSatellitenkommunikation

Terrestrische Funkverbindung

Passagierinformationen

Mobilfunk

Vehicle-to-vehicle

Flottenmanagement

WLAN

Reiseplanung Sicherheitssysteme

Verkehrssignale

Mautsystem

MAN

Abbildung 4 Vernetzte Mobilitaumlt durch verteiltes Verkehrsmanagement

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Der Mehrwert von Cyber-Physical Systems fuumlr das vernetzte Verkehrsmanagement ist vielfaumlltig

mdash Erhoumlhung der Verkehrssicherheit etwa durch das Erken-nen von Gefahren und Hindernissen (unter Einbezie-hung des Austauschs von Informationen mit anderen Akteuren) optimales Verkehrsmanagement und infol-gedessen das Vermeiden von Staus

mdash houmlherer Komfort fuumlr einzelne Verkehrsteilnehmer etwa durch Zeitersparnis mithilfe intelligenter Assistenten

mdash Verbesserung der oumlkologischen Bilanz durch geringere Umweltbelastung infolge des verbesserten Verkehrs-managements hierdurch geringerer CO2-Ausstoszlig durch geringeren Treibstoffverbrauchs sowie

mdash verbesserte Oumlkonomie aufgrund einer besseren Ausnut-zung von Verkehrsmitteln und Verkehrsinfrastruktur zu-dem Unfall- und Schadensvermeidung basierend auf den zur Verfuumlgung gestellten Informationen und Diensten

33 CybEr-PHySICal SySTEMS IN DEr TElEMEDIzIN uND fuumlr bETrEuTES WOHNEN

Auch fuumlr den Gesundheitsbereich ist die rasante Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnik von Vorteil Visionen der zukuumlnftigen medizinischen Versorgung unserer Gesellschaft beruhen auf einer umfassenden Vernetzung von Patienten und Aumlrzten sowie der Gesundheitsuumlberwachung mit Hilfe moderner Smart-Health-Systeme Die Erfassung medizinischer Daten durch geeignete Sensorik sowie ihre Verarbeitung und Auswertung in Echtzeit ermoumlglichen eine individuelle medizinische Betreuung von Patienten mit Lang-zeiterkrankungen Im Smart-Health-System lassen sich indivi-duelle medizinische Beduumlrfnisse beruumlcksichtigen und die stei-gende Zahl alter Menschen besser unterstuumltzen und betreuen

Senioren werden mithilfe von Cyber-Physical Systems in die Lage versetzt weiterhin autonom zuhause zu leben ohne auf eine umfassende medizinische Versorgung verzichten zu muumlssen Ein Uumlberwachungsdienst fuumlr Patienten mit Herz-schrittmachern kann beispielsweise warnen wenn medizi-nische Vitalparameter uumlber Sensoren erfasst vom Normal-zustand abweichen Gegebenenfalls kann der Dienst unter Angabe der Position des Patienten einen automatischen Notruf absetzen Die medizinischen Sensordaten Informa-tion des Patienten und des medizinischen Personals uumlber Vitaldaten sowie das Erkennen von und Reagieren auf Notfallsituationen ermoumlglicht eine houmlhere Zielgenauigkeit in der medizinischen Versorgung Diese leistet gleichzeitig einen wertvollen Beitrag zur Kostenbegrenzung im Gesund-heitswesen

Der Mehrwert von Cyber-Physical Systems fuumlr Smart Health ist vielfaumlltig

mdash umfassende medizinische Versorgung ohne Einschraumln-kung der Autonomie der eigenen Lebenssituation (bei-spielsweise im betreuten Wohnen)

mdash bessere Unterstuumltzung und Erstversorgung in medizini-schen Notfallsituationen beispielsweise auf Reisen

mdash CPS sind Grundvoraussetzung fuumlr leistungsstarke Loumlsun-gen in der Telemedizin und der medizinischen Ferndia-gnose

mdash CPS-Gesundheitsportale koumlnnen ausgedehntere Bera-tung und Unterstuumltzung in medizinischen Fragen bie-ten als reine Informationsforen

In Zeiten des demographischen Wandels tragen Cyber-Physi-cal Systems dazu bei dass sich aumlltere Menschen laumlnger sicher und aktiv eigenstaumlndig versorgen und am gesellschaftlichen Leben teilnehmen koumlnnen Das steigert die Lebensqualitaumlt

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Zukunftspotenzial

deutlich und traumlgt erheblich zur notwendigen Reduzierung der Pflegekosten bei Trotz aller Potenziale ndash insbesondere im Anwendungsfeld Smart Health stellen sowohl die Sen-sibilitaumlt der Patientendaten als auch das bundesdeutsche Gesundheitssystem mit den hohen Beharrungskraumlften der beteiligten Akteure eine zentrale Barriere fuumlr die fuumlr CPS erforderlichen technologischen Kooperationen dar

34 CybEr-PHySICal SySTEMS fuumlr DIE fabrIK DEr zuKuNfT

Cyber-Physical Systems sind auch in der industriellen Produk-tion von hoher Relevanz um individuelle Kundenwuumlnsche umsetzen zu koumlnnen Innerbetriebliche Produktionsprozesse lassen sich optimieren und damit bessere Oumlkobilanzwerte erzielen Es werden Fertigungsanlagen entstehen die mit-tels Cyber-Physical Systems nahezu in Echtzeit auf Veraumln-derungen im Markt und in der Lieferkette reagieren und hochflexibel auch uumlber Unternehmensgrenzen hinweg kooperieren koumlnnen Das ermoumlglicht nicht nur die rasche Produktion nach kundenindividuellen Vorgaben auch der Produktionsablauf innerhalb von Unternehmen kann uumlber ein Netz weltweit kooperierender adaptiver evolu- tio naumlrer und sich selbst organisierender Produktionseinhei-ten unterschiedlicher Betreiber optimiert werden

Das Einsparpotenzial und die Innovationskraft solcher Anlagen sind enorm Anlagenbetreiber haben dafuumlr ohne Zweifel Bedarf Deutschland verfuumlgt uumlber viele der notwen-digen Kompetenzen Diese sind jedoch aktuell noch zu stark verteilt Auf Anlagenbetreiber sowie auf Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus (Fertigungsindustrie und Prozessindustrie) der Logistik der Automatisierungstechnik und der IKT-Industrie

Um einen branchenuumlbergreifenden Transformationsprozess hin zu Cyber-Physical Systems einzuleiten gilt es groszlige Her-ausforderungen zu bewaumlltigen Dazu zaumlhlen neue Produkti-onsprozesse korrekte abgesicherte Modelle der Produktion robuste Produktionsverfahren stabil arbeitende Maschinen mit vorhersagbaren Eigenschaften geeignete Modelle und Simulationsverfahren fuumlr Prozesse und Maschinen sichere Verfahren der kuumlnstlichen Intelligenz Sicherheit in den Net-zen und extreme Echtzeitfaumlhigkeit zu bewaumlltigen13

Die sich aus offenen Netzwerken gewissermaszligen ldquobottom-uprdquo ergebenden neuen Wertschoumlpfungsmoumlglichkeiten fuumlr die Produktion werden auch unter den Stichworten ldquoBot-tom-up-Oumlkonomierdquo und ldquoopen productionrdquo diskutiert14

Der Mehrwert von Cyber-Physical Systems fuumlr Smart Facto-ries ist vielfaumlltig

mdash Optimierung der Produktionsablaumlufe durch CPS Die Einheiten einer Smart Factory kennen ihre Einsatz-gebiete Konfigurationsmoumlglichkeiten sowie Produk-tionsrahmenbedingungen und kommunizieren eigen-staumlndig drahtlos miteinander

mdash optmierte Herstellung eines kundenindividuellen Pro-dukts durch intelligente Zusammenstellung eines ide-alen Produktionssystems unter Beruumlcksichtigung von Produkteigenschaften Kosten Logistik Sicherheit Zu-verlaumlssigkeit Zeit und Nachhaltigkeit

mdash ressourceneffiziente Produktion mdash bedarfsgerechte Anpassung an die menschliche Arbeits-

kraft (bdquodie Maschine folgt dem Takt des Menschenldquo)

13 S AbeleReinhart 2011 sowie Vogel-Heuser 201114 bdquoVielmehr ist es erforderlich sich von der Vorstellung eines Produktionsunternehmens als Fabrik im Sinne einerrechtlich selbstaumlndigen zentralisier-

ten Einheit zu loumlsen um auch unkonventionelle Entwicklungsmodelle zu ermoumlglichenldquo (WulfsbergRedlich 2011 S V)

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4 HErauSfOrDEruNGEN DurCH CybEr-PHySICal SySTEMS fuumlr DEuTSCHlaND

Mit der Fortentwicklung der Cyber-Physical Systems sind weitreichende Herausforderungen fuumlr Deutschland verbun-den sowohl genereller als auch spezieller Natur Die umfas-sende Komplexitaumlt der Aufgabe zeigt sich technisch metho-disch und fachlich in der Forschung und Ent wicklung dazu in der Nutzung und den Auswirkungen der Cyber-Physical Systems auf Wirtschaft und Gesellschaft Komplexitaumlt zu beherrschen bzw zu reduzieren sowie die Systeme hochfle-xibel auszugestalten sind unabdingbare Voraus setzungen fuumlr langfristigen den Erfolg der Entwicklung und Nutzung von Cyber-Physical Systems

41 WISSENSCHafTlICHE HErauSfOrDEruNGEN

Durch Cyber-Physical Systems entstehen heterogene ver-netzte Gebilde aus physikalischen Systemen Elektronik und Software Diese Systeme fuumlhren zu einem neuen Sys-tembegriff und erfordern eine ganzheitliche systemische Sicht Um diese Art von Systemen beherrschen zu koumlnnen werden theoretische Ansaumltze benoumltigt die ein Zusammen-wachsen klassischer Modelle des Maschinenbaus und der Elektrotechnik mit den digitalen Modellen der Informatik ermoumlglichen Eher abstrakte Modelle der Informatik fuumlr Fra-gen der Informations- und Wissensverarbeitung muumlssen mit Modellen der physikalischen Welt zur Darstellung von Zeit und Raum verschmolzen werden Erfordernisse geschlosse-ner eingebetteter Systeme ndash wie Reaktion in Echtzeit funk-tionale Sicherheit und absolute Zuverlaumlssigkeit ndash muumlssen mit den Eigenschaften bzw den Einschraumlnkungen offener Systeme ndash wie eingeschraumlnkte Verfuumlgbarkeit und dynami-sche Erweiterbarkeit ndash kombiniert werden

Cyber-Physical Systems koumlnnen letztlich nur mithilfe neuer Modelle und Entwurfsmethoden fuumlr vernetzte technische Systeme (Multi-Ebenen-Systeme) effizient entwickelt wer-den Charakteristisch ist dass dabei nicht die Optimierung dieser Systeme sondern die Beherrschung ihrer Komplexi-

taumlt und die Erzeugung neuer Funktionalitaumlten wie Adaptivi-taumlt der Systeme Lernen von Funktionen Selbstorganisation etc eine wesentliche Rolle spielen werden Etwas plakativ formuliert So wie technische Systeme durch Cyber-Physical Systems vernetzt werden muumlssen sich unterschiedliche Wissenschaftszweige untereinander vernetzen Zum Bei-spiel ist die Vernetzung von Anti-Blockier-Systemen (ABS) und unterstuumltzten Lenksystemen (Electric Power SteeringEPS) unmoumlglich ohne die interdisziplinaumlre Verknuumlpfung von Methoden des Maschinenbaus der Kommunikations- und Informationstechnik und der Informatik

Fuumlr die Konzeption und Entwicklung entsprechender Sys-teme sind Ansaumltze erforderlich die Konzepte des Systems Engineering konsequent so erweitern dass sie auch auf Cyber-Physical Systems anwendbar sind Dazu besteht in-nerhalb der einzelnen Disziplinen Forschungsbedarf es gilt disziplinspezifische Ansaumltze fuumlr die Integration in Cyber-Phy-sical Systems aufzubereiten Als zentrale Herausforderung muumlssen in der Informatik Ansaumltze gefunden werden wie uumlber Kommunikationsnetze deren Verhalten nur stochas-tisch also unter Annahme von Wahrscheinlichkeiten mo-dellierbar ist Anwendungen mit harten praumlzisen Realzeit-anforderungen ablaufen koumlnnen

Das zukuumlnftig allgegenwaumlrtige Auftreten von Cyber-Physi-cal Systems stellt die Wissenschaft vor die Aufgabe mittels neuer Modelle und Entwurfsmethoden vernetzte techni-sche Systeme effizient zu entwickeln Dabei wird weniger die technische Optimierung der Systeme eine Rolle spielen Vielmehr stehen das Beherrschen von Komplexitaumlt und das Realisieren neuer Funktionalitaumlten durch die Adaptivitaumlt der Systeme und das Kombinieren von Funktionen im Vor-dergrund

Cyber-Physical Systems erfordern demnach eine interdis-ziplinaumlre Vernetzung uumlber Anwendungsgrenzen hinweg Einschlaumlgiges IT-Know-how als essenzieller Teil beruflicher

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Herausforderungen

Qualifikationen wird zum Schluumlssel um Cyber-Physical Sys-tems in Deutschland entwickeln und von hier exportieren zu koumlnnen Dies erfordert ein Umdenken in Richtung einer Oumlffnung und besseren Verzahnung vor allem der Ingenieurs-wissenschaften und der Informatik mit anderen Disziplinen zum Beispiel der Betriebswirtschaft oder den Kognitionswis-senschaften Dazu zaumlhlt auch die Aufwertung interdiszipli-naumlrer Projekte im Sinne wissenschaftlicher Reputation

Unsere Ausbildungssysteme an den Schulen Hochschulen und Universitaumlten sowie unsere Entwicklungsprozesse und -methoden sind bisher nur bedingt dazu geeignet Cyber-Physical Systems zu beherrschen

42 TECHNOlOGISCHE HErauSfOrDEruNGEN

Technologisch stellen Cyber-Physical Systems aufgrund ihrer Komplexitaumlt und Interdisziplinaritaumlt neue Anforderungen an die Beherrschbarkeit des Konstruierens und Betreibens Wie sind Cyber-Physical Systems zu bauen zu steuern und zu warten Wie sieht Kontrolle in offenen Systemen aus Wie lassen sich Anwendungen mit harten Realzeitanfor-derungen uumlber Kommunikationsnetze realisieren die nur stochastisch beschrieben werden koumlnnen Erforderlich ist ein systemischer Ansatz zur Beherrschung der Kernthemen der Entwicklung wie der Ermittlung der Anforderungen und des Entwurfs der Architektur Dies zielt auf Fragen der Interoperabilitaumlt der Schnittstellen offener und pro-prietaumlrer Standards der Qualitaumlt der Domaumlnenmodelle und Werkzeuge Das Beherrschen der Anforderungsermitt-lung ist bereits Teil der Funktionsentwicklung Die Gestal-tung der Architekturen fuumlr Cyber-Physical Systems schlieszligt Fragen der Kommunikationstopologie ein ferner Referenz-architekturen offener Architekturen und modularer Dienst-architekturen Zentral sind zudem Herausforderungen im Bereich der Sicherheit (Informationssicherheit und funktio-nale Sicherheit) Nutzbarkeit und Zuverlaumlssigkeit Zukunfts-

sicherheit (Evolutionsfaumlhigkeit) Nutzung (Mensch-Maschi-ne-Interaktion Akzeptanz Ergonomie) Hinzu kommen Fragen der technischen realisierung durch Hardware und Mechanik (Sensorik Aktorik Mechanik Energieversorgung drahtgebundene und drahtlose Kommunikation Endgerauml-te Middleware und Plattformen) Die beherrschung der Entwicklung und des Engineering erfordert Prozesse und Methoden wie verteilte Entwicklung Nutzereinbindung in-tegrierte Methoden und Modelle fuumlr physikalische Anteile Elektronik und Software

Cyber-Physical Systems erfordern unterschiedliche Applika-tionen schnell und unkompliziert miteinander zu vernetzen sowohl statisch zur Entwicklungszeit als auch dynamisch im Betrieb Dazu ist eine ausgepraumlgte Interoperabilitaumlt auf al-len Abstraktionsebenen der Cyber-Physical Systems notwen-dig Das gilt auf der technischen Ebene etwa hinsichtlich der Protokolle sowie der elektronischen und elektrotechni-schen Kompatibilitaumlt der Systeme auf der Architekturebene im Sinne des Zusammenspiels der unterschiedlichen Kom-ponenten einem logischen Entwurf entsprechend und vor allem auf der fachlichen Ebene Interoperabilitaumlt offener Systeme auf fachlicher und semantischer Ebene erfordert Techniken des bdquoautomatischen Schlieszligensldquo (automatic rea-soning) der Wissensrepraumlsentation des Semantic Web und der semantischen Interpretation von Daten und Diensten

Uumlber die reine Interoperabilitaumlt hinaus muss die Portierbar-keit von anwendungen uumlber die verschiedenen Ebenen von der Cloud bis auf die Endgeraumlte mit Seamless Roaming uumlber die unterschiedlichen drahtgebundenen und drahtlosen Netze als Ziel definiert werden wie das durch den Begriff des Compute Continuums angesprochen wird Zum Beispiel muss ein auf dem heimischen PC uumlber DSL begonnener Download eines Videos fuumlr die Unterhaltung der Kinder auf der Urlaubsfahrt nahtlos an das Entertainment-System im Auto uumlbergeben werden koumlnnen wo der Rest des Videos uumlber eine drahtlose Anbindung heruntergeladen wird

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Die virtualitaumlt der Cyber-Physical Systems besagt dass die Funktionen der Systeme in weiten Bereichen unabhaumlngig sind von Materialien Orten und Geraumlten dazu losgeloumlst von physikalischen Beschraumlnkungen und dass sie doch ein Bild der Realitaumlt schaffen Virtualitaumlt stoumlszligt natuumlrlich an Grenzen der Physik Trotzdem ist die Ortsungebundenheit von Daten Informationen und Diensten und ihre Unabhaumlngigkeit von bestimmten Geraumlten oder Infrastrukturen essenziell

Entscheidend ist neben der technischen Beherrschung der virtuellen Ebene auch die Beruumlcksichtigung und Integra-tion der physikalischen Prozesse und der physikalischen Komponenten die in Cyber-Physical Systems eingebunden sind Das Zusammenspiel der physikalischen Verkopplung der Komponenten und ihrer virtuellen Vernetzung ist eine der technischen Herausforderungen Vor allem die physika-lischen Komponenten bilden eine wichtige Triebkraft zur Entwicklung von Cyber-Physical Systems beispielsweise in intelligenten Energiesystemen

43 WIrTSCHafTlICHE HErauSfOrDEruNGEN

Neben der technischen Entwicklung muumlssen Cyber-Physical Systems vermarktet betrieben und vertrieben werden Die heutigen Industriestrukturen der Bundesrepublik Deutsch-land sind jedoch noch gepraumlgt von weitgehend hierarchisch organisierten und gestaffelten Lieferantennetzwerken Typisch ist dabei eine kleine Zahl sehr dominanter Origi-nal Equipment Manufacturer (OEMs) mit zunaumlchst groszligen Zulieferunternehmen im Zentrum die sich selbst mehrfach gestaffelt weiterer kleinerer Zulieferer bedienen Daraus resultiert ein Groszligteil der Staumlrke der deutschen Industrie-struktur in ihrer Auspraumlgung in Groszligunternehmen und ei-ner Vielzahl von sehr erfolgreichen kleineren und mittleren Unternehmen Speziell fuumlr Deutschland liegt die Heraus-forderung darin sowohl das unternehmerische Know-how

als auch eine Unternehmenslandschaft zu foumlrdern die aus Cyber-Physical Systems umfassend Wertschoumlpfung generie-ren kann

Cyber-Physical Systems unterstuumltzen und beschleunigen den durch E-Commerce Mitte der 1990er Jahre begonnenen Wandel unseres Wirtschaftssystems weg von klassischer Pro-duktentstehung und dem Vertrieb hin zu Entwicklungs- und Produktionsgemeinschaften in flexiblen Firmennetzwerken mit global abrufbaren Diensten Es werden grundlegend neue Geschaumlftsmodelle durch Cyber-Physical Systems ent-stehen fuumlr die Infrastrukturen (Plattformen Breitbandnet-ze) aber auch Standards benoumltigt werden

Bisherige isolierte wirtschaftliche bdquoSilosldquo ndash also proprietaumlre Loumlsungen der Unternehmen ndash werden durch die domaumlnen-uumlbergreifenden Wirkungen von Cyber-Physical Systems aufgeloumlst und entwickeln sich zu offenen Systemen Es entstehen Austauschplattformen uumlber die Unternehmen und Kunden einander ad hoc wechselseitig und kontextab-haumlngig finden und gemeinsam Maumlrkte erschlieszligen Die Fol-ge ist eine Entwicklung der bis dato hierarchischen Bezie-hungen zwischen Zulieferern Fertigungsunternehmen und Kunden hin zu Unternehmensnetzwerken Der Wettbewerb im Markt wird sich vom Wettbewerb einzelner Firmen zum Wettbewerb von Unternehmensnetzwerken verlagern

Die Vernetzungskomponente von Cyber-Physical Systems und offene Standards werden die notwendigen Kollabo-rationen und die Bildung unternehmerischer Oumlkosysteme unterstuumltzen Cyber-Physical Systems fuumlhren zu neuen Un-ternehmensrollen und -funktionen wie etwa Serviceaggre-gatoren die einzelne Dienste von Anbietern sammeln und als Gesamtloumlsung uumlber gemeinsame Plattformen verkaufen Bisher fehlen Betreibermodelle fuumlr Plattformen fuumlr Cyber-Physical Systems Das Know-how dazu ist weitgehend vor-handen

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Herausforderungen

44 POlITISCHE HErauSfOrDEruNGEN

Die Politik wird durch Cyber-Physical Systems vor grundle-gende Herausforderungen gestellt da regeln fuumlr offene Systeme geschaffen werden muumlssen Der Umgang mit den riesigen Datenvolumina die durch Cyber-Physical Systems entstehen sowie das Management und die Speicherung dieser Daten erfordern eine hohe Informationssicherheit Von Datenschutz und -sicherheit sowie von der Frage ob Menschen diesen Systemen vertrauen koumlnnen haumlngt auch die Akzeptanz durch die Bevoumllkerung ab Ferner bestehen Sicherheits- und Haftungsfragen

Vor diesem Hintergrund ist es wichtig rechtliche rah-menbedingungen zu schaffen vor allem um sicherheits-anfaumlllige wie -kritische Infrastrukturen zu schuumltzen und Haftungsfragen zu klaumlren Offen ist insbesondere die Fra-ge der Erhebungs- und Eigentumsrechte an Daten die fuumlr Cyber-Physical Systems relevant sind einschlieszliglich der Zu-gangsrechte Dritter sowie alle damit verbundenen Regulie-rungsfragen Die durch Cyber-Physical Systems entstehende Flut an Primaumlrdaten die in Echtzeit erfasst werden wirft die Frage auf wer diese Daten unter welchen Bedingungen erfassen darf wer unter welchen Voraussetzungen Zugangs-rechte zu diesen Daten oder Teilmengen davon hat und wie diese Daten organisatorisch verwaltet werden sollen

Da es in vielen Faumlllen nicht sinnvoll und oumlkonomisch nicht vertretbar oder unmoumlglich ist Daten zu gleichen Sachver-halten mehrfach zu erfassen stellt sich die Frage nach der Offenheit der Datenbestaumlnde Und nicht zuletzt gehen Cy-ber-Physical Systems mit hohen Investitionen in die techni-sche Infrastruktur der Systeme einher deren Finanzierung gesichert und bereitgestellt werden muss

Die Politik steht zudem vor der Aufgabe die wirtschaft-lichen rahmenbedingungen zu schaffen um die techni-

sche Ausgestaltung zu sichern und dafuumlr zu sorgen dass es genug qualifizierte Fachkraumlfte gibt

Durch Cyber-Physical Systems greift Technik in hohem Aus-maszlig in gesellschaftliche und wirtschaftliche Prozesse ein Deshalb ist die Politik auch gefordert einen gesellschaft-lichen Diskurs in Gang zu setzen um ein Bewusstsein fuumlr die vielfaumlltigen Dimensionen des Technologietrends Cyber-Physical Systems zu schaffen und die Bevoumllkerung uumlber Chancen und Risiken zu informieren

45 GESEllSCHafTlICHE HErauSfOrDEruNGEN

Grundlegend fuumlr den Erfolg von Cyber-Physical Systems ist die gesellschaftliche Bereitschaft diese neue Technologie anzunehmen sie einzusetzen und weiterzuentwickeln Eine erfolgskritische Voraussetzung fuumlr die Nutzung von Cyber-Physical Systems ist die akzeptanz durch die Nutzer Ak-zeptanz heiszligt dass Nutzer technisch konzipierte Systeme letztendlich als positiv empfinden sie darum annehmen und bereit sind sie zu nutzen Die Vergangenheit hat ge-zeigt dass es auszligerordentlich schwierig ist Akzeptanz vorherzusagen Gleichzeitig gilt dass Akzeptanz sehr eng von gut gestalteter Mensch-Maschine-Interaktion abhaumlngt Darum muumlssen Fragen der Akzeptanz beim Gestalten von Cyber-Physical Systems von Anfang an umfassend adres-siert werden Von zentraler Wichtigkeit in diesem Kontext sind die Privatsphaumlre das Festlegen von Grenzen fuumlr Sys-teme sowie die gesellschaftlich gewuumlnschte und legitimier-te Einschraumlnkung der Funktionalitaumlt von Cyber-Physical Systems15

Vor diesem Hintergrund erscheint es unumgaumlnglich einen staumlrkeren gesellschaftlichen Diskurs in Gang zu setzen der sich mit einer Reihe von Grundsatzfragen zu Cyber-Phy-sical Systems auseinandersetzt Beispiele fuumlr solche Fragen

15 Vgl den Beitrag bdquoGesellschaftliche Relevanz Intelligenter Objekteldquo in HerzogSchildhauer 2009

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sind Formen der Abhaumlngigkeit der Menschen von autonom entscheidenden Systemen rechtliche Konsequenzen Wer-te und Wertsysteme der Menschen im Hinblick auf Cyber-Physical Systems die Frage wie sich zwischenmenschliche Kommunikation unter dem Einfluss von Cyber-Physical

Systems entwickelt und in welchem Umfang es verantwort-bar ist weite Teile der kritischen Infrastruktur auf Cyber-Physical Systems auszurichten Nicht zu vergessen ist die Frage welche Maszlignahmen erforderlich sind um Risiken zu begrenzen

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Thesen zur Entwicklung

5 THESEN zur ENTWICKluNG vON CybEr-PHySICal SySTEMS IN DEuTSCHlaND

Die Zeit draumlngt um sich im Wettbewerb vor allem mit den USA und Asien zu positionieren ndash der momentan noch existierende Vorsprung fuumlr Deutschland bei eingebetteten Systemen kann in wenigen Jahren verloren sein Folgende Thesen fassen wesentliche Aussagen zu Cyber-Physical Sys-tems zusammen

1 festigung der Position Deutschlands zu Cyber-Physi-cal Systems Attraktive Betreibermodelle und oumlffentli-che Investitionen in offene Plattformen fuumlr Cyber-Physi-cal Systems sind Voraussetzungen fuumlr deren erfolgreiche Realisierung

2 beherrschung der Entwicklung von Cyber-Physical Systems Die Beherrschung der Entwicklung von Cyber-Physical Systems erfordert die Zusammenarbeit aller Branchen und Domaumlnen in interdisziplinaumlren und kol-laborativen Formen waumlhrend des gesamten Produktle-benszyklus (Systems Engineering Standards Interopera-bilitaumlt Open Source)

3 Cyber-Physical Systems als Teil sozio-technischer Systeme Da Cyber-Physical Systems in vielen Anwen-dungsbereichen etwa im Gesundheitssektor in einem noch nicht dagewesenen Ausmaszlig in das Arbeits- oder Alltagsleben eingreifen sind die Akzeptanz der Bevoumllke-rung und die Bereitschaft der Nutzer fuumlr die erfolgreiche Einfuumlhrung von Cyber-Physical Systems unverzichtbar Die Entwicklung ethisch vertretbarer und rechtlich zu-laumlssiger Loumlsungen ist daher eine zentrale wissenschaft-lich-technische Aufgabe

4 Neue Geschaumlftsmodelle durch Cyber-Physical Sys-tems Weil Cyber-Physical Systems kollaborativ und interaktiv funktionieren werden vor allem diejenigen Unternehmen erfolgreich sein die sich in Unterneh-mensnetzwerken auf Rollen spezialisieren die ihren

jeweiligen Kernkompetenzen entsprechen und diese Rollen so entwickeln dass sie auf die Infrastruktur der fuumlr Cyber-Physical Systems konzipierten Gesamtloumlsung ausgerichtet sind

5 Schluumlsselrolle des Mittelstands fuumlr Cyber-Physical Systems Die Staumlrke des Mittelstands im Zusammen-hang mit Teilloumlsungen von Cyber-Physical Systems kann sich nur entfalten wenn den Unternehmen die Mitwirkung an Forschungs- und Entwicklungsprojekten erleichtert wird16

6 bedeutung der Mensch-Maschine Interaktion Tech-nologien und Anwendungen fuumlr Cyber-Physical Systems muumlssen die Nutzerbeduumlrfnisse beachten und einfache intuitive Bedienbarkeit sichern Bereits im technischen Entwicklungsprozess von Cyber-Physical Systems koumln-nen die Grundlagen fuumlr benutzerfreundliche und akzep-tierbare Loumlsungen geschaffen werden

7 forschungsfoumlrderung bdquoStaumlrken staumlrkenldquo Deutschland sollte seine bdquoStaumlrken staumlrkenldquo und sich im Bereich Cy-ber-Physical Systems auf die Schwerpunkte Embedded Systems Engineering und Security spezialisieren um im internationalen Wettbewerb erfolgreich zu sein

8 Schwaumlchen kompensieren Die US-amerikanische Do-minanz in Sachen Internet und World Wide Web soll-te durch den konsequenten Aufbau von Kompetenz in Deutschland relativiert werden

9 Wissenschaftliche fundierung Das Zusammenspiel heterogener Anteile in Cyber-Physical Systems ndash von physikalischen Komponenten Elektronik und Software bis hin zu Teilen aus Biologie und Chemie ndash muss sich in der Wissenschaft widerspiegeln Neue Formen interdis-ziplinaumlrer Zusammenarbeit sind zu foumlrdern

16 Zentrales Ergebnis der acatech Online-Befragung zum Thema CPS in Kooperation mit der Zeitschrift Elektronik Praxis

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10 Politische rahmenbedingungen schaffen Die Ver-aumlnderungen durch Cyber-Physical Systems erfordern rechtliche und politische Rahmenbedingungen fuumlr wirt-schaftliches Handeln und die Sicherung gesellschaftli-cher Werte

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Handlungsempfehlungen

Aus den Thesen leiten sich spezifische Handlungsempfeh-lungen ab

61 fESTIGuNG DEr POSITION DEuTSCHlaNDS zu CybEr-PHySICal SySTEMS

Voraussetzung fuumlr die Festigung der Position Deutschlands zu Cyber-Physical Systems ist eine schnelle Ausrichtung der Infrastruktur und der Wirtschaftsstrukturen auf die Erforder-nisse von Cyber-Physical Systems Der Staat sollte hierfuumlr klare Zielsetzungen definieren und sie im Zuge einer Ge-samtstrategie Cyber-Physical Systems umsetzen

acatech empfiehltAls technische Voraussetzungen fuumlr Cyber-Physical Systems sind der mobile Internetzugang und Zugriffswege auf Infra-strukturen durch geeignete Sensorik und Aktorik zu foumlrdern und auszubauen Gleichzeitig ist die Weiterentwicklung intelligenter Kommunikationsinfrastrukturen zur Bewaumllti-gung der zukuumlnftigen Anforderungen von Cyber-Physical Systems zu unterstuumltzen

acatech empfiehltEntwicklungs- und Betreiberplattformen fuumlr Cyber-Physical Systems sind aufzubauen und verfuumlgbar zu machen oder in ihrem Aufbau zu foumlrdern

62 bEHErrSCHuNG DEr ENTWICKluNG vON CybEr-PHySICal SySTEMS

Die Umsetzung neuer dynamischer Geschaumlftsmodelle stellt Anforderungen an die System architekturen Das Beispiel in-tegrierter Dienstleistungen etwa Mobilitaumltsdienste in Ver-bindung mit Betreibermodellen fuumlr Fahrzeugflotten oder

Krankentransporte im Gesund heits wesen (Fahrzeugausstat-tung Vernetzung) erfordert uumlbergreifende Systemarchitek-turen und die Interoperabilitaumlt anwendungsspezifischer Ar-chitekturen Dabei gelten nach wie vor die Empfehlungen der NRMES

mdash Die Entwicklung relevanter branchenuumlbergreifender Standards (Architekturen Modellierungssprachen) er-moumlglicht neue Innovationen

mdash Offene Standards schaffen neue Marktmoumlglichkeiten mdash Eine deutsche Fuumlhrungsrolle in der Entwicklung von

Disziplinen uumlbergreifenden Loumlsungen fuumlr gesellschaftli-che und wirtschaftliche Herausforderungen ermoumlglicht eine fruumlhe Markteinfuumlhrung solcher Loumlsungen

mdash Cyber-Physical Systems sind ein Technologiefeld auf dem alle Entwicklungsschritte (Forschung Entwick-lung Produktion Integration) in Deutschland erbracht werden und wo deshalb Markt- und Technologiefuumlhrer-schaft erreicht werden kann

mdash Das Feld der Cyber-Physical Systems als Innovations-treiber eroumlffnet auch deutschen Industrien Chancen die bisher nicht auf dem Gebiet der eingebetteten Sys-teme aktiv waren

mdash Deutschland kann in hohem Maszlig an den einschlaumlgigen Forschungsfoumlrderungs programmen der EU partizipieren

mdash Die hohen Datenschutzanforderungen in Deutschland und die damit einhergehenden Loumlsungen fuumlhren zu einem Innovationsvorsprung (bdquoIT-Security made in Ger-manyldquo)

Durch getrennte Ad-hoc-Entwicklungen verschiedener As-pekte der Teilgebiete von Cyber-Physical Systems drohen sogenannte Legacy-Systeme Es handelt sich dabei um Sys-teme die in ihren Anwendungsbereichen hohe Bedeutung besitzen aber wegen ihrer sehr spezifischen technischen und fachlichen Auspraumlgung schwer weiterzuentwickeln und mit anderen Systemen zu integrieren sind etwa wegen feh-lender Interoperabilitaumlt

6 HaNDluNGSEMPfEHluNGEN

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acatech empfiehlt Interoperabilitaumltsstandards muumlssen erarbeitet und ge-setzt werden welche die kritischen Sicherheitsaspekte der Technologie beachten zukunftsfaumlhig sind und auszligerdem Export- und Absatzchancen foumlrdern Standardisierungsak-tivitaumlten in internationalen Gremien sind zu unterstuumltzen

63 CybEr-PHySICal SySTEMS alS TEIl SOzIO- TECHNISCHEr SySTEME

Nur wenn Cyber-Physical Systems so gestaltet sind dass sie bei den Nutzern auf Akzeptanz stoszligen werden sie auch am Markt erfolgreich sein

acatech empfiehltDas Gebiet der Mensch-Maschine-Interaktion muss in For-schung Ausbildung und praktischer Umsetzung erschlos-sen werden um nachhaltig Akzeptanz zu erzielen Gleiches gilt fuumlr die sogenannten bdquoHuman Factorsldquo angefangen bei den mentalen Modellen der Nutzer von der Attraktivitaumlt und Bedienbarkeit der Cyber-Physical Systems bis hin zur benutzerspezifischen Faumlhigkeit zum Verstehen von Informa-tionen und Loumlsungen sowie ihrer Implikationen

Neben der Bedienbarkeit (useability) sind Sicherheit und Vertrauenswuumlrdigkeit weitere Voraus setzungen fuumlr die Ak-zeptanz von Cyber-Physical Systems

acatech empfiehlt Ein Diskurs zum Nutzen der Innovationen durch Cyber-Physical Systems sollte in der Gesellschaft initiiert werden Ziel ist es die Bevoumllkerung in die Entwicklung von Cyber-Physical Systems einzubeziehen und sie umfassend uumlber die Sicherheit und Privatheit aufzuklaumlren

acatech empfiehlt Eine Arbeitsgruppe aus Wissenschaftlern Juristen und Poli-tikern ist einzusetzen die ein umfassendes Konzept fuumlr den Umgang mit personenbezogenen und unternehmensinter-nen Daten (Firmengeheimnisse) in Cyber-Physical Systems entwickelt

64 NEuE GESCHaumlfTSMODEllE DurCH CybEr- PHySICal SySTEMS

Das technische Potenzial von Cyber-Physical Systems er-moumlglicht die Entwicklung neuartiger Geschaumlftsmodelle die einer umfassenden Erprobung beduumlrfen

acatech empfiehlt Spezifische Plattformen fuumlr Cyber-Physical Systems sollten etabliert werden um neue Geschaumlftsmodelle zu erproben Im Rahmen einer Begleitforschung ist die Analyse solch neuartiger Geschaumlftsmodelle auf Basis von Cyber-Physical Systems sinnvoll und moumlglich

acatech empfiehlt Das wirtschaftliches Umfeld sollte im Rahmen der Begleit-forschung bei allen Leitprojekten zu Cyber-Physical Systems beruumlcksichtigt werden Schwerpunkte sind bdquoGeschaumlfts-modelle fuumlr neue Produkte und Produkt-Service-Systemeldquo bdquoCyber-Physical Systems-Dienste-Servicesldquo und bdquoUnterneh-menssoftware fuumlr Cyber-Physical Systemsldquo


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acatech empfiehlt bdquoSchaufensterldquo mit Pilotanwendungen von Cyber-Physical Systems sollten fruumlh zur Veranschaulichung von Cyber-Phy-sical Systems zum Einsatz kommen sowohl fuumlr die relevan-ten Fachgesellschaften als auch fuumlr die Oumlffentlichkeit

65 SCHluumlSSElrOllE DES MITTElSTaNDES fuumlr CybEr-PHySICal SySTEMS

Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) insbesondere Start-up-Unternehmen in der IT-Branche sind zentrale Ak-teure bei der Erschlieszligung des Innovations- und Wertschoumlp-fungspotenzials von Cyber-Physical Systems Sie sind nicht nur Anbieter technischer Einzelloumlsungen sondern werden auch diejenigen sein die mit neuen Loumlsungen und Services an Plattformen zu Cyber-Physical Systems andocken und von dem neu entstehenden wirtschaftlichen Oumlkosystem pro-fitieren koumlnnen Cyber-Physical Systems brauchen zu ihrer Gestaltung den Mittelstand mit seinen Staumlrken gerade in einem Unternehmensnetzwerk zu Cyber-Physical Systems Traditionelle und etablierte aber auch kleine innovative Unternehmen sind nahe an ihren Kunden koumlnnen flexibler Probleme loumlsen konzentrieren sich auf ihre Kernkompeten-zen und sind darum sehr effektiv

acatech empfiehlt Neben vereinfachtem Zugang zu Forschungsprojekten sind weitere Maszlignahmen fuumlr die Staumlrkung von KMUs in Unter-nehmensnetzen zu Cyber-Physical Systems erforderlich Das betrifft Rahmenbedingungen Organisationsmodelle und Netzwerke Plattformen und Verbundprojekte sind zu schaf-fen die gezielt den Mittelstand einbinden

Auch die Verbesserung der Rahmenbedingungen fuumlr Un-ternehmensgruumlndungen wird zukuumlnftig von existenzieller Bedeutung fuumlr die Position der deutschen Industrie im Bereich der Cyber-Physical Systems sein Hier muumlssen zwin-gend Hemmnisse reduziert werden um die deutsche Wert-schoumlpfungskette mit allen fuumlr die Entwicklung der Systeme notwendigen Basiswerkzeugen abzusichern und so die In-novationsfaumlhigkeit der nationalen Wirtschaft zu erhalten Abhaumlngigkeiten im Hinblick auf Technologieverfuumlgbarkeit und Innovationstempo muumlssen abgebaut werden

acatech empfiehlt die Etablierung eines Startup- bdquoUmfeldsldquo im Bereich Cyber-Physical Systems durch politische finanzielle rechtliche und hochschulpolitische Maszlignahmen Diese beinhaltet die Foumlrderung von Unternehmensneu- und -ausgruumlndungen durch Bereitstellung von mehr Wagniskapital sowie die Eta-blierung eines entsprechenden Eco-Systems Ergaumlnzend soll-ten Anreize fuumlr etablierte globale Player geschaffen werden hinsichtlich Technologietransfers Start-up- Investments und Pilotprojekten Zudem werden begleitende Forschungsakti-vitaumlten empfohlen

66 WIrTSCHafTlICHE bEDEuTuNG DEr MENSCH- MaSCHINE-INTEraKTION

Die Mensch-Maschine-Interaktion ist auch aus wirtschaftli-cher Sicht von zentraler Bedeutung Insbesondere das spe-zifisch deutsche Phaumlnomen des bdquoOverengineeringsldquo ndash die Erstellung eines Produkts oder einer Dienstleistung in houmlhe-rer Qualitaumlt oder mit mehr Aufwand als erforderlich ndash kann daher bei der Entwicklung von Cyber-Physical Systems ein erfolgskritischer Faktor sein

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acatech empfiehlt Menschliche Einflussfaktoren (bdquohuman factorsldquo) im Zusam-menhang mit Cyber-Physical Systems muumlssen ganzheitlich erforscht werden ndash von klassischen Fragen der Ergonomie der Integration von adaptiven und adaptierbaren Cyber-Physical Systems in Arbeitsablaumlufen und der entsprechen-den Auswirkungen der Nachvollziehbarkeit bis hin zu der Frage potenzieller Anpassungen des sozialen Verhaltens unter Einfluss der Nutzung entsprechender Systeme

Fuumlr Cyber-Physical Systems sind konsequente Kundenorien-tierung und damit Benutzerfreundlichkeit sowie intuitive Bedienbarkeit Schluumlssel zum Erfolg

67 fOrSCHuNGSfoumlrDEruNG bdquoSTaumlrKEN STaumlrKENldquo

Gerade die Forschungsfoumlrderung muss aufgrund der hohen Bedeutung von Cyber-Physical Systems geschickt auf die vielfaumlltigen Herausforderungen ausgerichtet werden Das betrifft die Befaumlhigung digitale Systeme beherrschbar zu entwickeln Hier sind Ansaumltze der modellbasierten Entwick-lung von Produktlinien und Konzepte langfristiger System-evolution besonders wichtig Das erfordert grundlegende Innovationsallianzen in denen Domaumlnen uumlbergreifend und interdisziplinaumlr System entwicklung in ihren Methoden und Prozessen erforscht und in die Praxis umgesetzt wird Als Vorbild gelten kann SPES202017 ein vom BMBF gefoumlr-dertes Forschungsprojekt zur Entwicklung einer Methodik zur durchgaumlngig modellbasierten Entwicklung von einge-betteten Systemen

Horizontale Forschungs-Verbundprojekte zielen darauf ab Methoden zu entwickeln die normalerweise in vielen un-terschiedlichen Anwendungsgebieten einsetzbar sind Im Vordergrund stehen Verfahren und innovative Vorgehens-weisen beim Engineering und Techniken fuumlr die Gestaltung und Realisierung der Systeme Dazu gehoumlren Referenzarchi-

tekturen und Standards Bei den Forschungsaufgaben koumln-nen zwei groszlige Felder unterschieden werden

mdash Beherrschung des Engineerings der Prozesse Metho-den Werkzeuge zur Unterstuumltzung und Modellierungs-ansaumltze Diese Technologien muumlssen es ermoumlglichen eine Bruumlcke zu schlagen zwischen Systemkomponenten die an harte physikalische Gesetzmaumlszligigkeiten etwa Realzeit gebundenen sind und solchen Komponenten die von diesen Gesetzmaumlszligigkeiten bewusst abstrahiert sind

mdash Beherrschung von Technologien fuumlr die Systeme Das betrifft Architekturen Plattformen ndash zum Beispiel Middle ware ndash Protokolle Algorithmen und Verfahren die in den Systemen angewendet werden

Neben solchen horizontalen Projekten sind vertikale Projek-te erforderlich in denen nicht die Erforschung der Methodik und Technologie im Vordergrund steht sondern deren Ein-satz in herausragenden Anwendungsgebieten etwa Smart Grid vernetzten Gesundheitssystemen oder umfassend ver-netzten Automatisierungs- und Produktionsanlagen Hier muumlssen Impulse gegeben werden um Projekte in Schluumlssel-domaumlnen anzustoszligen

acatech empfiehlt Die Foumlrder- und Aktionsprogramme innerhalb der Hightech-Strategie und der IKT-Strategie des Bundes sollten hinsicht-lich Cyber-Physical Systems uumlberpruumlft und entsprechend thematisch angepasst werden Horizontale und vertikale Leitprojekte zu Cyber-Physical Systems sind zu verknuumlpfen


17 Vgl Homepage wwwspes2020informatiktu-muenchende

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Allerdings muss dafuumlr gesorgt werden dass oumlkonomische Prinzipien dominieren Aktivitaumlten und Konzepte konse-quent am Markt orientiert sind und die Markterschlieszligung im Vordergrund steht

acatech empfiehlt Neben dem bereits im Rahmen der Durchfuumlhrung der Stu-die angestoszligenen BMBF-Verbundprojekt ARAMIS (Automo-tive Railway and Avionic Multi-Core Systems) zum Thema Smart Mobility sind weitere vertikale Projekte zu folgenden Anwendungsgebieten in Gang zu setzen

1 IKT fuumlr das Smart Grid Dieses Projekt sollte sich auf das Thema IKT-Architekturen fuumlr Energienetze der Zukunft kon-zentrieren und dabei auf den Erfahrungen in den Versuchs-regionen der Bundesinitiative E-Energy und im acatech Projekt zum Future Energy Grid aufbauen Im Vordergrund muss hier die Modellierung der Energienetze stehen eine Strukturierung der Anforderungen an die Energienetze durch eine umfassende Modellierung zum einen der Netz-strukturen zum anderen der Funktionen und Dienste die uumlber IKT-Architekturen zur Verfuumlgung gestellt werden

2 E-Health Der Gesundheitsbereich ist fuumlr Cyber-Physical Systems von houmlchster Bedeutung da sich hier Fragen der eingebetteten Systeme im Hinblick auf Sensorik und Ak-torik mit anspruchsvollen Fragen der Privacy und Security mischen Denn im Mittelpunkt stehen die Patienten ihre Sicherheit und der Schutz ihrer Daten Hinzu kommen Kommunikation und soziale Medien Deshalb wird emp-fohlen hier ein stark auf Cyber-Physical Systems ausge-legtes Projekt aufzusetzen

3 Cyber-Physical Systems in der Produktion Der Einsatz von Cyber-Physical Systems in Produktionssystemen fuumlhrt zur bdquoSmart Factoryldquo Deren Produkte Ressourcen und Pro-zesse sind durch Cyber-Physical Systems charakterisiert

durch deren spezifische Eigenschaften bietet sie Vortei-le in Bezug auf Qualitaumlt Zeit und Kosten gegenuumlber klassischen Produktionssystemen Empfohlen wird im Rahmen der 2011 gestarteten Initiative bdquoIndustrie 40ldquo ein entsprechendes Projekt aufzusetzen mit dem Ziel technologische und wirtschaftliche Hemmnisse zu besei-tigen und die Realisierung und den Einsatz von Smart Factories zu forcieren Fuumlr das Engineering und die Re-alisierung von Cyber-Physical Systems sind die integrati-ve disziplinuumlbergreifende Entwicklung von Produkt und Produktionssystem zu foumlrdern und in diesem Rahmen die Modularisierung der Produktionssysteme zu Produktions-einheiten mittels modellgetriebener Entwicklung (Model Driven Design)

Fuumlr die Produktionstechnik sind folgende Themen zu Cyber-Physical Production Systems von zentraler Bedeutung

mdash weitere Erforschung und Entwicklung von Innovations-methoden um stets neue Produkte fuumlr den Weltmarkt bieten zu koumlnnen

mdash laufende Erforschung neuer Produktionsprozesse mdash weitere wissenschaftliche Durchdringung der Produk-

tionsprozesse und Produktionsmaschinen um korrekte abgesicherte Modelle zu haben mit denen die bdquoCyber-Physical Production Systemsldquo dann arbeiten kann

mdash robuste schnelle effiziente Produktionsverfahren die ohne laufenden Eingriff und Kontrolle durch den Men-schen sicher ablaufen koumlnnen

mdash stabile Maschinen mit vorhersagbaren Eigenschaften und Verhalten um sichere Automatisierung auch unter veraumlnderlichen Randbedingungen zu realisieren

mdash Modelle und Simulationsverfahren fuumlr Prozesse und Ma-schinen um den Automatisierungssystemen Methoden zur Einschaumltzung der Konsequenzen ihrer Entscheidun-gen aufzuzeigen

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mdash sichere Verfahren der Cyber-Physical Production Sys-tems die auch unter harten Randbedingungen und mit hoher Geschwindigkeit ablaufen koumlnnen um weder Mensch noch Maschine in Gefahr zu bringen

mdash Sicherheit in den Netzen um Missbrauch kriminelle Ein-griffe oder auch Fahrlaumlssigkeit von auszligen abzuwenden

mdash extreme Echtzeitfaumlhigkeit um auch schnellste Prozesse Ereignisse und Wechselwirkungen beherrschen zu koumlnnen

mdash neue Betreibermodelle mdash hybride System- und Architekturmodelle fuumlr die spezifi-

schen Engineering-Aufgaben sowie mdash nachhaltige Gestaltung der Produktion (Kreislaufwirtschaft)

In diesen Punkten sind viele Schlagworte enthalten an denen eine produktionstechnische Forschung im Sinne der Smart Factory festgemacht werden kann

Die Begleitung der vertikalen Projekte durch einen uumlber-greifenden interdisziplinaumlren Arbeitskreis zu Cyber-Physical Systems kann den Transfer generischer Arbeitsergebnisse zwischen den Projekten sicherstellen

acatech empfiehlt Innovationsallianzen sollten Forschungsprojekte zur domaumlnen uumlbergreifenden Entwicklung von Cyber-Physical Systems mit den Schwerpunkten Smart Grid E-Health und Industrie 40 steuern

68 SCHWaumlCHEN KOMPENSIErEN

Bedeutend weniger stark ausgepraumlgt als bei eingebetteten Systemen ist in Deutschland die Kompetenz zum Thema In-ternet einschlieszliglich World Wide Web und Cloud Compu-ting Da der wirtschaftliche Wettbewerb der Cyber-Physical Systems auch mithilfe von Synergien zwischen eingebette-ten Systemen und der Beherrschung der globalen Netze ausgetragen wird sind hier Maszlignahmen erforderlich

acatech empfiehlt Eins zentrales nationales Forschungs- und Kompetenzzent-rum fuumlr das Internet der Dinge Daten und Dienste und das World Wide Web ist einzurichten das alle Themen im Zusam-menhang mit globalen Netzen behandelt Das betrifft den technischen Aufbau der Netze ihre Architektur und Gestal-tung die verschiedenen Kommunikationsschichten und Pro-tokolle einschlieszliglich der technischen Einrichtungen dafuumlr aber auch Technologien fuumlr die Gestaltung der Daten und Dienste und deren Nutzung etwa durch Suchmaschinen dazu das Thema Cloud Computing und die damit verbun-denen rechtlichen gesellschaftlichen und politischen Fragen

69 WISSENSCHafTlICHE fuNDIEruNG

Die Modellierung von Cyber-Physical Systems erfordert das Zusammenspiel unterschiedlicher Disziplinen ndash Physik Ma-schinenbau Elektrotechnik und Informatik Es sind aber auch Grundlagen der Kognitionspsychologie und Soziologie unab-dingbar ihre Relevanz reicht von Modellen des Wahrnehmens der Interaktion des Wissens Denkens und Problem loumlsens bis hin zu System- und Netzwerkmodellen der Techniksozio-logie Im Zentrum steht die Entwicklung einer neuen Diszi-plin des Engineerings von Cyber-Physical Systems mit einer integrierten Sichtweise auf die Modellierung entsprechender Systeme Modelle der Informatik der Elektrotechnik und des Maschinenwesens werden auf Basis vorhandener phy-sikalischer Modelle unter starker Beruumlcksichtigung der Kon-troll- und Regelungstheorie zu einem integrierten Modellie-rungsansatz verschmolzen Im Einzelnen handelt es sich um

mdash interdisziplinaumlre Modellierung hybrider Systeme aus Soft-ware Elektronik und physikalischen Systemen unter Einbe-ziehung von Materialwissenschaften Chemie und Biologie

mdash Konzepte der Verknuumlpfung von Systemkomponenten die an harte physikalische Gesetzmaumlszligigkeiten etwa Realzeit gebundenen sind mit Komponenten die von diesen Gesetzmaumlszligigkeiten bewusst abstrahiert sind


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mdash durchgaumlngige Entwicklungsprozesse auf Basis geeigne-ter Modelle fuumlr Cyber-Physical Systems sowie

mdash Ansaumltze fuumlr die Automatisierung und ein Virtual Engineering fuumlr Cyber-Physical Systems

Benoumltigt werden im Sinne eines Human-Centered Enginee-rings integrierte hybride System- und Architekturkonzepte fuumlr

mdash eine verteilte analogedigitale Kontrolle und Steuerung mdash die Mensch-Technik-Interaktion und integrierte Hand-

lungsmodelle sowie mdash sozio-technische Netzwerke und Interaktionsmodelle

Cyber-Physical Systems erfordern gerade auch in der Be-voumllkerung eine groumlszligere Technikkompetenz und mehr Muumln-digkeit im Umgang mit der allgegenwaumlrtigen CPS-Technik (wie auch mit dem Internet) Die Erfordernisse erstrecken sich auf nahezu alle Stufen unseres Bildungssystems Dies betrifft Grundschulen Realschulen und Gymnasien glei-chermaszligen wie Hochschulen Universitaumlten und berufliche Weiterbildung Besonders sinnvoll ist die Anpassung und Neugestaltung interdisziplinaumlrer Master-Studiengaumlnge zur Gestaltung von Cyber-Physical Systems

acatech empfiehlt Die deutsche Wissenschaft sollte ihre Programme zu ver-netzten Systemen weiterfuumlhren und sich dabei besonders den Cyber-Physical Systems widmen indem sie interdiszipli-naumlre Projekte mit hoher Prioritaumlt bearbeitet

acatech empfiehlt Eine Arbeitsgruppe aus Wissenschaftlern und Vertretern der Fachverbaumlnde sowie einschlaumlgiger Ministerien sollte eine Roadmap mit umfassenden Empfehlungen fuumlr die An-passung der existierenden Studien- und Ausbildungsgaumlnge (Informatik Ingenieurwissenschaften Betriebswirtschaft) an die Erfordernisse von Cyber-Physical Systems erarbeiten

610 POlITISCHE raHMENbEDINGuNGEN SCHaffEN

Um viele der Zukunftsszenarien die im Projekt agendaCPS entwickelt wurden Realitaumlt werden zu lassen muumlssen per-sonenbezogene Daten houmlchster Sensibilitaumlt ndash zu Gesund-heit finanziellen Moumlglichkeiten Vorlieben und individuel-len Faumlhigkeiten ndash im Netz gespeichert und verwaltet sowie uumlber sichere Dienste zugaumlnglich gemacht werden Die Enquecircte-Kommission bdquoInternet und Digitale Gesellschaftldquo des Deutschen Bundestags arbeitet bereits an verwandten Themen grundlegende Urteile zur Frage des Umgangs mit bdquoden Menschen dominierenden Systemenldquo liegen bereits auf europaumlischer Ebene vor

acatech empfiehlt Die bestehende Rechtslage ist hinsichtlich der technischen Sicherheit von Cyber-Physical Systems vor allem im Hinblick auf Datenschutz Datensicherheit sowie Sicherheits- und Haftungsfragen anzupassen

Es sind daruumlber hinaus die Auswirkung von Cyber-Physical Systems auf Ressourcen insbesondere Energie zu unter-suchen Welche Kosten und Risiken entstehen durch die fortschreitende Durchdringung der physischen Welt mit Informationstechnik Inwieweit wirken sich Cyber-Physical Systems auf unseren Energie- und Rohstoffbedarf aus (Stichwort bdquoMetalle der seltenen Erdenldquo)

acatech empfiehlt Cyber-Physical Systems sollte in den Energie- und Roh-stoffstrategien der Bundesregierung beachtet werden Ins-besondere ist der Energiewandel auch in einer Gesamtstra-tegie fuumlr Cyber-Physical Systems zu beruumlcksichtigen

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7 aNHaNG

Uumlbersichtsstabelle uumlber Faumlhigkeiten der Cyber-Physical Systems (Cyber-Physical Systems-Capabilities)

(1) Cyber-physiCal sensoren aktoren vernetzt (lokal-global)

virtuell eChtzeitsteuerung

(2) systems of systems (sos) kontrol-lierter verbund mit dynamisChen

grenzen

(3) kontext-adaptive und (teil-) autonom handelnde systeme

(4) kooperative systeme mit verteil-ter weChselnder kontrolle

(5) umfassende mensCh-system- ko operation

zentrale faumlhigkeiten und niCht-funktionale anforderungen

Quality in use Quality of serviCe (Qos)

- parallele Erfassung (Sensoren) Fusio-nierung Verarbeitung physikalischer Daten der Umgebung lokal global und in Echtzeit (Physical Awareness)

- Lageinterpretation im Hinblick auf Erreichung der Ziele und Aufgaben des CPS

- Erfassung Interpretation Ableitung Prognose von Stoumlrungen Hindernis-sen Risiken

- Interagieren Einbinden Regeln und Steuerung von CPS-Komponenten und Funktionen

- global verteilte vernetzte Echtzeit-steuerung und Regelung

- Interpretation der Umgebungs- und Situationsdaten uumlber mehrere Stu-fen abhaumlngig von unterschiedlichen Anwendungssituationen

- Gezielte Auswahl Einbindung Ab-stimmung und Nutzung von Diensten ndash abhaumlngig von Situation lokalem und globalem Ziel und Verhalten

- Dienstkomposition und Integration dezentrale Kontrolle Erkennen feh-lender Dienste Daten Funktionen und aktive Suche sowie dynamische Einbindung

- Selbstorganisation

- Bewerten des fuumlr die Anwendung erforderlichen Nutzens und Qualitaumlt (QoS Gesamtqualitaumlt) von einzu-bindenen Komponenten Diensten ndash auch hinsichtlich moumlglicher Risiken

- Verlaumlsslichkeit im Sinne garantierter QoS (Compliance)

- Zugangskontrolle systemeigener Daten und Dienste

- Umfassende durchgaumlngige Kontext Awareness

- Kontinuierliches Erheben Beobach-ten Auswaumlhlen Verarbeiten Bewer-ten Entscheiden Kommunizieren der Umgebungs- Situations- und Anwen-dungsdaten (vieles in Echtzeit)

- Gezielte Anpassung der Interaktion Koordination Steuerung mitvon anderen Systemen und Diensten

- Erkennung Analyse und Interpretati-on der Plaumlne und Absichten der Ob-jekte Systeme und beteiligten Nutzer

- Modellerstellung von Anwendungs-gebiet und -domaumlne Beteiligten samt ihrer Rollen Ziele und Anfor-derungen verfuumlgbaren Dienste und Aufgaben

- Festlegung von Zielen und Hand-lungsschritten unter Beruumlcksichtigung und Abwaumlgung von Alternativen in Bezug auf Kosten und Risiken

- Self-Awareness im Sinne Wissens uumlber eigene Situation Zustand und Hand-lungsmoumlglichkeiten

- Lernen etwa geaumlnderter Arbeits- Logi-stikprozesse Gewohnheiten Interakti-onsverhalten etc und entsprechende Verhaltensanpassung

- Faumlhigkeiten der Selbstorganisation

- Verteilte kooperative und interaktive Wahrnehmung und Bewertung der Lage

- Verteilte kooperative und interaktive Bestimmung der durchzufuumlhrenden Schritte - in Abhaumlngigkeit von der Lagenbewertung von den Zielen einzelner Akteure und von den Zielen der diesen Akteure einschlieszligenden Gemeinschaft (lokale vs globale Ziele)

- Dabei erfolgen koordinierte Abschaumlt-zung und Verhandlung der letztend-lich getroffenen Entscheidung das heiszligt eigene und gemeinsame Kon-troll- und Entscheidungsautonomie

- Entscheidung unter unsicherem Wissen

- Kooperatives Lernen und Anpassung an Situationen und Erfordernisse

- Einschaumltzung der Qualitaumlt der ei-genen und fremden Dienste und Faumlhigkeiten

- Koordinierte Verarbeitung von Mas-sendaten

- Intuitive multimodale aktive und passive MMI - Unterstuumltzung (verein-fachte Steuerung)

- Unterstuumltzung einer weiteren (Raum Zeit) und vergroumlszligerten Wahrnehmung und Handlungsfaumlhigkeit einzelner und mehrerer Menschen (Gruppen)

- Erkennung und Interpretation menschlichen Verhaltens inklusive Gefuumlhlen Beduumlrfnisse und Absichten

- Erfassung und Bewertung von Zu-stand und Umgebung von Mensch und System (Ausdehnung der Wahrnehmungs- und Bewertungsfauml-higkeiten)

- Integrierte und interaktive Entschei-dung und Handlung von Systemen und Mensch Menschenmengen

- Lernfaumlhigkeit

- Erforderliche Faumlhigkeiten

- bdquoXldquo-Awareness (korrekte Wahrneh-mung und Interpretation von - Situation und Kontext - Selbst- Fremd- Mensch-Awareness (Zustand Ziele Intentionen Hand-lungsfaumlhigkeiten)

- Lernen und Adaption (Verhalten)


- Kooperation Aus-Verhandeln und Entscheiden (in definierten Grenzen - Compliance)

- Entscheidungen unter unsicherem Wissen

- Bereitstellen und gegebenenfalls Sicherstellen von QoS-Garantien

- Umfassendes Sicherheitskonzept (Safety Security)

- Transparente MMI geteilte Kontrolle ndash integrierte Situationsbewertung und berechenbares Handeln

- Risikomanagement

- Proaktives strategisches und verlaumlssliches Handeln

- Schutz der Privatsphaumlre (Privacy)

zunehmende Oumlffnung Komplexitaumlt Autonomie bdquoSmartnessldquo und Evolution der Systeme (mit disruptiven Effekten in den Anwendungswelten)

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Anhang




grenzen







































- Lernfaumlhigkeit










- Risikomanagement




40


Die Uumlbersichtstabelle zeigt eine Zusammenfassung der spezifischen Charakterisierung von Cyber-Physical Systems und fasst in der rechten Spalte die neuen Faumlhigkeiten sowie die zentralen Anforderungen und Faumlhigkeiten fuumlr brauch-bare und nachhaltig innovative Cyber-Physical Systems-Anwendungen zusammen Die Herausforderungen bei der Realisierung dieser Faumlhigkeiten von Cyber-Physical Systems einschlieszliglich der Klaumlrung und Schaffung der erforderli-chen Rahmenbedingungen und gesellschaftlichen Kon-sensbildung sind Kern der in der agendaCPS diskutierten Forschungsthemen und umfassenden Handlungsfelder

Auszliger Forschungsanstrengungen im Bereich der genannten neuen Faumlhigkeiten und bei Kerntechnologien der Cyber-Physical Systems sind zum Umsetzen und Beherrschen von skizzierten CPS-Anwendungen folgende integrierte Aktivitauml-ten erforderlich

mdash Schrittweiser Aufbau von Referenzarchitekturen Do-maumlnenmodellen und Anwendungsplattformen als Voraussetzung fuumlr die korrekte Situations- und Kontext-wahrnehmung Interpretation Prozessintegration und ein verlaumlssliches HandelnSteuern der Systeme Dies umfasst Modelle wie beispielsweise

mdash Modelle der physischen Umgebung ihrer Archi-tektur Beteiligten Aufgaben Rollen und (Inter-aktions-)beziehungen etc

mdash Anforderungsmodelle (funktional und nichtfunk-tional) direkt oder indirekt Beteiligter (Stakehol-der Systeme Komponenten)

mdash Anwendungs-Referenzarchitekturen Prozessmo-delle Funktions-Dienst-architekturen und Inter-aktionsmuster sowie Realisierungsarchitekturen (logische Architekturen etwa zur Realisierung spezifischer Sicherheits- oder Performanzanforde-rungen Hardware- Software-Architekturen oder auch spezifische Plattformen und Kommunikati-

onsarchitekturen) organisatorische Rahmenbe-dingungen und Standards etc

mdash Qualitaumltsmodelle aber auch Modelle fuumlr Domauml-nen- oder Geschaumlftsregeln (sogenannte Business Rules) Zielmodelle oder unternehmensspezifi-sche Geschaumlftsmodelle zur Uumlberpruumlfung und Vali-dierung der CPS-Dienste und Anwendungen

mdash Spezifische Normen und Standards fuumlr die qualifizierte Entwicklung und Zertifizierung der Systeme

Es existiert eine Reihe von Herausforderungen fuumlr diesen Aufbau die zudem von zentraler Bedeutung fuumlr die Erfor-schung und Erarbeitung entsprechender Technologien und Konzepte sind Neben den Unterschieden in der Dynamik und der Kultur der beteiligten Anwendungsgebiete Syste-me Akteure und Disziplinen handelt es sich dabei um

mdash den zunehmenden Kontrollverlust in offenen (sozialen) Umgebungen mit vernetzt und teilweise autonom inter-agierenden Systemen und Akteuren und damit verbun-dene Fragen Methoden und Konzepte zur Sicherstellung

mdash die Verlaumlsslichkeit der Systeme hinsichtlich Safety IT-Sicherheit und Privatsphaumlre aber auch weiterer nicht-funktionaler Anforderungen zum Beispiel Leistung und Energieeffizienz

mdash Know-how-Schutz in offenen Wertschoumlpfungsnetzen (CPS-Oumlkosystemen)

mdash die mit Cyber-Physical Systems einhergehenden unge-wissen und verteilten Risiken sowie deren Abschaumltzung und Bewertung durch die einzelnen Systeme und Ak-teure welche quantitativ kaum und qualitativ meist nur subjektiv moumlglich ist

mdash das Handeln von Cyber-Physical Systems als Vertreter (Agenten) sozialer und wirtschaftlicher Akteure (Men-schen Gruppen) mit den Aufgaben des angemessenen und fairen Verhandelns sowie des Aufloumlsens auftreten-der Zielkonflikte

41

Anhang

mdash die Vorgaben fuumlr das (teil-)autonome Handeln und Ent-scheiden der Systeme

mdash die mit den oben aufgefuumlhrten Herausforderungen interdisziplinaumlr (gesellschaftlich umfassend) zu bestim-menden

mdash erforderlichen Rahmenbedingungen18 und mdash verbindlich auszuhandelnden Domaumlnen-Qualitaumlts-

modelle Regeln und Policies (bdquoComplianceldquo-Vorga-ben)

mdash die offene Fragen der moumlglichst berechenbaren und ver-laumlsslichen Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) die fuumlr Menschen im Sinne integrierten Handelns erforderlich ist beispielsweise der

1 einfachen und intuitiven MMI trotz multifunktionaler Dienste und Nutzungsmoumlglichkeiten

2 semantischen Integration abhaumlngig von Situation Pro-zess- und Handlungskontext (lokal regional global)

3 passiven MMI also des bewussten und unbewussten Beobachtens und Uumlberwachens von Menschen bezie-hungsweise Gruppen mit der Herausforderung beob-achtetes Verhalten korrekt oder auf gewuumlnschte Weise zu interpretieren

4 Problematik der andauernden Aufmerksamkeit (Vigi-lanz) und des inhaumlrenten Kontrollverlusts fuumlr Menschen durch den Einsatz von Cyber-Physical Systems sowie

mdash die aus (1) bis (4) folgende umsichtige Bewertung kom-plexer Situationen samt Priorisierung -integration und Anwendung von Features19

18 Beispielsweise erforderliche CPS-Infrastruktur ihre Sicherheit und Qualitaumlt Standardisierung einzuhaltende Normen sowie rechtliche Rahmen-bedingungen etc

19 Funktionen Diensten

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abelereinhart 2011Abele EReinhart G Zukunft der Produktion Herausforde-rungen Forschungsfelder Chancen Muumlnchen Carl Hanser Verlag 2011

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bMWi 2010aBundesministerium fuumlr Wirtschaft und Technologie (Hrsg) Aktionsprogramm Cloud Computing Eine Allianz aus Wirt-schaft Wissenschaft und Politik Berlin 2010 URL httpwwwbmwideBMWiRedaktionPDFPublikationenTech-nologie-und-Innovationaktionsprogramm-cloud-computingproperty=pdfbereich=bmwisprache=derwb=truepdf [Stand 22112011]

bMWi 2010bBundesministerium fuumlr Wirtschaft und Technologie (Hrsg) Das Internet der Dienste Berlin 2010 URL httpbmwideBMWiRedaktionPDFPublikationenTechnologie-und-Innovationinternet-der-diensteproperty=pdfbereich=bmwisprache=derwb=truepdf [Stand 22112011]

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lITEraTur

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gt bISHEr SIND IN DEr rEIHE acatech POSITION uND IHrEr vOrGaumlNGErIN acatech bEzIEHT POSITION fOlGENDE baumlNDE ErSCHIENEN

acatech (Hrsg) Den Ausstieg aus der Kernkraft sicher gestalten Warum Deutschland kerntechnische Kompetenz fuumlr Ruumlck-bau Reaktorsicherheit Endlagerung und Strahlenschutz braucht (acatech POSITION) Heidelberg u a Springer Verlag 2011

acatech (Hrsg) Smart Cities Deutsche Hochtechnologie fuumlr die Stadt der Zukunft Aufgaben und Chancen (acatech bezieht Position Nr 10) Heidelberg u a Springer Verlag 2011

acatech (Hrsg) Akzeptanz von Technik und Infrastrukturen Anmerkungen zu einem aktuellen gesellschaftlichen Problem (acatech bezieht Position Nr 9) Heidelberg u a Springer Verlag 2011

acatech (Hrsg) Nanoelektronik als kuumlnftige Schluumlsseltechnologie der Informations- und Kommunikationstechnik in Deutsch-land (acatech bezieht Position Nr 8) Heidelberg u a Springer Verlag 2011

acatech (Hrsg) Leitlinien fuumlr eine deutsche Raumfahrtpolitik (acatech bezieht Position Nr 7) Heidelberg u a Springer Verlag 2011

acatech (Hrsg) Wie Deutschland zum Leitanbieter fuumlr Elektromobilitaumlt werden kann Status Quo ndash Herausforderungen ndash Offene Fragen (acatech bezieht Position Nr 6) Heidelberg u a Springer Verlag 2010

acatech (Hrsg) Intelligente Objekte ndash klein vernetzt sensitiv Eine neue Technologie veraumlndert die Gesellschaft und fordert zur Gestaltung heraus (acatech bezieht Position Nr 5) Heidelberg u a Springer Verlag 2009

acatech (Hrsg) Strategie zur Foumlrderung des Nachwuchses in Technik und Naturwissenschaft Handlungsempfehlungen fuumlr die Gegenwart Forschungsbedarf fuumlr die Zukunft (acatech bezieht Position Nr 4) Heidelberg u a Springer Verlag 2009

acatech (Hrsg) Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Deutschland Empfehlungen zu Profilbildung Lehre und Forschung (acatech bezieht Position Nr 3) Stuttgart Fraunhofer IRB Verlag 2008

acatech (Hrsg) Innovationskraft der Gesundheitstechnologien Empfehlungen zur nachhaltigen Foumlrderung von Innovationen in der Medizintechnik (acatech bezieht Position Nr 2) Stuttgart Fraunhofer IRB Verlag 2007

acatech (Hrsg) RFID wird erwachsen Deutschland sollte die Potenziale der elektronischen Identifikation nutzen (acatech bezieht Position Nr 1) Stuttgart Fraunhofer IRB Verlag 2006

gt acatech ndash DEuTSCHE aKaDEMIE DEr TECHNIKWISSENSCHafTEN

acatech vertritt die Interessen der deutschen Technikwissenschaften im In- und

Ausland in selbstbestimmter unabhaumlngiger und gemeinwohlorientierter Weise

Als Arbeitsakademie beraumlt acatech Politik und Gesellschaft in technikwissen-

schaftlichen und technologiepolitischen Zukunftsfragen Daruumlber hinaus hat

es sich acatech zum Ziel gesetzt den Wissenstransfer zwischen Wissenschaft

und Wirtschaft zu erleichtern und den technikwissenschaftlichen Nachwuchs

zu foumlrdern Zu den Mitgliedern der Akademie zaumlhlen herausragende Wissen-

schaftler aus Hochschulen Forschungseinrichtungen und Unternehmen aca-

tech finanziert sich durch eine institutionelle Foumlrderung von Bund und Laumlndern

sowie durch Spenden und projektbezogene Drittmittel Um die Akzeptanz des

technischen Fortschritts in Deutschland zu foumlrdern und das Potenzial zukunfts-

weisender Technologien fuumlr Wirtschaft und Gesellschaft deutlich zu machen

veranstaltet acatech Symposien Foren Podiumsdiskussionen und Workshops

Mit Studien Empfehlungen und Stellungnahmen wendet sich acatech an die

Oumlffentlichkeit acatech besteht aus drei Organen Die Mitglieder der Akademie

sind in der Mitgliederversammlung organisiert ein Senat mit namhaften Per-

soumlnlichkeiten aus Industrie Wissenschaft und Politik beraumlt acatech in Fragen

der strategischen Ausrichtung und sorgt fuumlr den Austausch mit der Wirtschaft

und anderen Wissenschaftsorganisationen in Deutschland das Praumlsidium das

von den Akademiemitgliedern und vom Senat bestimmt wird lenkt die Arbeit

Die Geschaumlftsstelle von acatech befindet sich in Muumlnchen zudem ist acatech

mit einem Hauptstadtbuumlro in Berlin vertreten

Weitere Informationen unter wwwacatechde

gt DIE rEIHE acatech POSITION

In dieser Reihe erscheinen Positionen der Deutschen Akademie der Technik-

wissenschaften zu technikwissenschaftlichen und technologiepolitischen Zu-

kunftsfragen Die Positionen enthalten konkrete Handlungsempfehlungen und

richten sich an Entscheidungstraumlger in Politik Wissenschaft und Wirtschaft so-

wie die interessierte Oumlffentlichkeit Die Positionen werden von acatech Mitglie-

dern und weiteren Experten erarbeitet und vom acatech Praumlsidium autorisiert

und herausgegeben

Titel

Herausgeberacatech ndash Deutsche Akademie der Technikwissenschaften 2011

GeschaumlftsstelleResidenz MuumlnchenHofgartenstraszlige 280539 Muumlnchen

T +49(0)895203090F +49(0)895203099

E-Mail infoacatechdeInternet wwwacatechde

Koordination Ariane HellingerRedaktion Ariane Hellinger Linda ToumlnskoumltterLektorat Heinrich SeegerLayout-Konzeption acatechKonvertierung und Satz Fraunhofer-Institut fuumlr Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS Sankt Augustin

Die Originalfassung der Publikation ist verfuumlgbar auf wwwspringerlinkcom

HauptstadtbuumlroUnter den Linden 1410117 Berlin T +49(0)30206309610F +49(0)30206309611

Inhalt

gt INHalT

KurzfaSSuNG 5

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Mobilfunk

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Flottenmanagement

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MAN


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