Cyber-Physical Systems SS12
Cyber-Physical Systems
2. Anwendungsbeispiele
Dr.-Ing. Torsten Klie
Lehrstuhl für Hardware-Software-Co-Design
SMART CITIES
Vernetzung aller Systeme der Städte
Cyber-Physical Systems SS12 38
Smart Cities
Cyber-Physical Systems SS12 39
• Vernetzung aller Systeme
der Städte
– Planung
– Rettungsleitstelle
– Verwaltungssysteme
– Energieversorgung
– Verkehrsmanagement
– Gesundheit
Quelle: IBM
Smart Cities – Motivation
• Energieeffiziente Geräte weit verbreitet
• Drahtlose Kommunikation (fast) überall
– IEEE 802.15.4
– Drahtlose Sensornetze
– Sensor-Plattformen
• Urbanisation
• Wirtschaftswachstum
• technologischer Fortschritt
• Nachhaltigkeit
Cyber-Physical Systems SS12 40
Eigenschaften einer Smart City
Cyber-Physical Systems SS12 41
Quelle: R. Giffinger et al. Smart cities -
Ranking of European medium-sized cities. 2007
Smart Economy (Wettbewerbsfähigkeit)
• Innovatives Klima
• Unternehmergeist
• Wirtschaftliches Image und Marken
• Produktivität
• Flexibler Arbeitsmarkt
• Einbettung in internationale Beziehungen
• Anpassungsfähigkeit
Cyber-Physical Systems SS12 42
Smart People (Gesellschafts- und Human-Kapital)
• Qualifikationsniveau
• Bereitschaft zu lebenslangem Lernen
• Soziale und ethnische Pluralität
• Flexibilität
• Kreativität
• Weltoffenheit
• Teilnahme am öffentlichen Leben
Cyber-Physical Systems SS12 43
Smart Governance (Mitwirkung)
• Mitwirkung am Entscheidungsprozess
• Öffentliche und Soziale Dienste
• Transparente Verwaltung
• Politische Strategien und Perspektiven
Cyber-Physical Systems SS12 44
Smart Mobility (Verkehr & IKT)
• Zugängigkeit
– Lokal
– National
– International
• Verfügbarkeit von IKT-Infrastruktur
• Verkehrssysteme
– Nachhaltig
– Innovativ
– Sicher
Cyber-Physical Systems SS12 45
Smart Environment (Natürliche Ressourcen)
• Attraktivität der natürlichen Bedingungen
• Umweltverschmutzung
• Umweltschutz
• Nachhaltiges Rohstoff-Management
Cyber-Physical Systems SS12 46
Smart Living (Lebensqualität)
• Kulturelles Angebot
• Gesundheitsniveau
• Individuelle Sicherheit
• Wohnqualität
• Bildungseinrichtungen
• Touristische Attraktivität
• Sozialer Zusammenhalt
Cyber-Physical Systems SS12 47
Der Weg zu Smart Cities
• Sensoren, Aktoren und Computer in Objekte einbetten
– macht man schon seit 20 Jahren
– neu ist die Masse an Objekten
– „new ecology“
• Transformationsprozess
– Assessment
• Welche Systeme gibt es?
• Welchen Bedarf gibt es?
• Welche Möglichkeiten gibt es?
– A System of Systems
• Planung
• Management
• Betrieb
Cyber-Physical Systems SS12 48
Ranking – TOP20
Cyber-Physical Systems SS12 49
Quelle: www.smart-cities.eu, 2011
3 Städte im Vergleich
Cyber-Physical Systems SS12 50
Quelle: www.smart-cities.eu, 2011
New Ecology
• Smart Embedded OSes – nicht nur "smart" über sich selbst, sondern auch "smart" über die
Umgebung
– Autonomical Integration: Selbstorganisiertes Einbinden von Subsystemen
• Neue Hardware – „Ökosystem“: James F. Moore, 1990, The Death of Competition:
Leadership and Strategy in the Age of Business Ecosystems: • An economic community supported by a foundation of interacting
organizations and individuals
• produces goods and services of value to customers, who are themselves members of the ecosystem.
• suppliers, lead producers, competitors, and other stakeholders.
• Over time, they co-evolve their capabilities and roles, and tend to align themselves with the directions set by one or more central companies.
• Those companies holding leadership roles may change over time, but the function of ecosystem leader is valued by the community because it enables members to move toward shared visions to align their investments and to find mutually supportive roles.
Cyber-Physical Systems SS12 51
Smart Grid als Teil einer Smart City
• Stromnetz wird vernetzt mit der IT-Infrastruktur
• Jeder (Strom-)Verbraucher bekommt Smart Meter
– Wegfall der bisherigen Verbrauchszähler
– Online-Meldungen über Stromverbrauch und –bedarf
– Zeitunkritische Verbraucher zu Niedriglastzeiten anschalten
Cyber-Physical Systems SS12 52
DEZENT
Cyber-Physical Systems SS12 53
Quelle:
Lehnhoff et al.: Dezentrales
autonomes Energiemanagement. 2011
BGM: Balancing Group Manager
Ohne Smart Meter kein Smart Grid
Cyber-Physical Systems SS12 54
Quelle: G. Hirn. Das Stromnetz
wird interaktiv. 2011
Ebenen der Smart-Grid -Durchdringung
• Level 1—Exploring: The utility is beginning to explore the journey toward a smart grid, and may have a vision but not a clear strategy. At this point, experimentation and evaluation of technologies and building of business cases are key.
• Level 2—Investing: The utility is investing in and implementing at least one of the essential functional areas of smart grid. For some, the priority is advanced metering infrastructure (AMI). Others may start with demand-side management (DSM) or deployment of a distributed intelligent sensor network for enhanced grid reliability and outage recovery.
• Level 3—Integrating: The components of smart grid begin to be integrated with one another, providing operational linkages between two or more functional areas.
• Level 4—Optimizing: Transformation and optimization of systems enterprise-wide occurs, taking advantage of integrated control across and between utility functions.
• Level 5—Innovating: The enterprise is positioned so when new business, operational, environmental and societal opportunities present themselves, the capability exists to take full advantage of them.
Cyber-Physical Systems SS12 55
Quelle: IBM
Beispiel: Ubiquitous Oulu Smart City
• UrBan Interactions (UBI), Universität Oulu,
– Middleware layer auf dem panOULU wireless network
– Offen für Ubiquitous-Computing-Forscher
– Ziel: Verbessern der Kommunikation mit Verwaltung
• UBI-Hotspots (Öffentliche interaktive Anzeigen) mit
– Kameras
– NFC/RFID-Reader
– panOULO Wireless Access Point
– Breitbandiger Internet-Anschluss
– Zwei Betriebsmodi
• Broadcast
• Interaktiv
Cyber-Physical Systems SS12 56
Quelle: F. Gil-Castineira et al. Experiences inside the Ubiquitous Oulu Smart City. 2011
panOulu Wireless Network
• WLAN: 1270 APs
• Bluetooth: 30 APs (z.B. in Ampeln)
• Wireless Sensor Network
– IP-basiert
– 13 Edge-Router mit Bluetooth
– Wird z.B., für Messiung des Stromverbrauchs in Haushalten genutzt
Cyber-Physical Systems SS12 57
Projekt: RunWithUs
• Ziel: Bürger zum Joggen
animieren
• Funktionen
– Routenwahl nach Länge,
Schwierigkeitsgrad, andere
Läufer, Wetter und Pollenflug
– Vergleichen der Performance
von verschiedenen Läufern auf
der selben Route, oder
“Wettrennen” mit eigenen
vorherigen Läufen
– Ranglisten: Größte Gruppe,
Regelmäßgste Gruppe, ...
Cyber-Physical Systems SS12 58
Quelle: F. Gil-Castineira et al. a.a.O. 2011
RunWithUs – Software-Architektur
Cyber-Physical Systems SS12 59
Quelle: F. Gil-Castineira et al. a.a.O. 2011
RunWithUs im Betrieb
Cyber-Physical Systems SS12 60
Quelle: F. Gil-Castineira et al. a.a.O. 2011
Herausforderungen von Smart Cities
• Sensorinformationen über Stadt und Bewohner einsammeln – Kosten vs. Datenqualität
– Kosten vs. Doppelnutzung
– Datenschutz
– Sicherheit (Security)
• Management von Informationen über alle städtischen Systeme – Informationsmodelle
– Datenschutz, Security, Zugangskontrolle
– Standards und Interoperabilität
• Beobachten und Verstehen städtischer Aktivität – System-Modelle
– Analysen
• Beeinflussen der Ergebnisse – Optimal System Control
– Human-city interaction
Cyber-Physical Systems SS12 61
Stand der Dinge: Pilotprojekte
• Verkehr (z.B. in Dublin)
– Vorhersagewerkzeugen
– Chipkarten
– City-Maut,
• Polizeiarbeit und Notfallabwehr (z.B. in New York)
– Datenanalyse,
– Funk- und Videoüberwachung
– Koordination der Verbrechensbekämpfung und Notfall-Einsatzkräfte
• Energie- und Wasserwirtschaft (z.B. Malta)
– Analyse der Faktoren zur Sicherung von Qualität und Verfügbarkeit
des Wassersystems
– Aufspüren von Lecks
– variable Preisgestaltung ( mehr Kontrolle für Kunden)
Cyber-Physical Systems SS12 62
Bewertung
• CPS: ja oder nein?
• Diskussion
Cyber-Physical Systems SS12 63
AUTONOMES FAHREN
Vom Fahrer-Assistenz-System zum Auto, das ohne Fahrer fährt
Cyber-Physical Systems SS12 64
Ziele des Autonomen Fahrens (wdh.)
• Erhöhung der Sicherheit (Unfallvermeidung)
• Verringerung der Umweltbelastung
– Ökologisch sinnvollste Routenwahl auf Basis aktuellster
Informationen
– Stauvermeidung hilft CO2 zu sparen
• Besserer Komfort
– Schnellere Fahrten durch Stauvermeidung
– Entspanntes Reisen
Cyber-Physical Systems SS12 65
Stufen des Autonomen Fahrens (wdh.)
• Stufe 1: Fahrer fährt manuell, Unterstützung durch
Assistenzsysteme
– Spurassistent
– ABS
• Stufe 2: Fahrer fährt manuell, weitergehende Unterstützung
durch Assistenzsysteme
– Aktive Eingriffe, bspw. bei Kollisionserkennung oder erkannten
Fußgängern
– Car-2-X-Kommunikation: Warnungen werden weitergegeben
Notbremsungen
• Stufe 3: Vollautonomes Fahren
Cyber-Physical Systems SS12 66
Stand der Dinge
• Google hat ein Patent für ein autonomes Fahrzeug
– 10 Prototypen im Einsatz
– Mehr als 250.000 km
• In Nevada ist autonomes Fahren seit neuestem (unter
Auflagen) erlaubt.
– „Sicherheitsfahrer“ + „CoPilot“ sind vorgeschrieben
– Rote Nummernschilder
– Testverfahren mit > 10000 Meilen erfolgreicher Fahrt ist notwendig
Cyber-Physical Systems SS12 67
Modellierung der Umgebung
• Aktuelle Positionsbestimmung (GPS, WLAN,…)
• A-priori Karteninformationen
• Meldungen per Datenfunk (Car2X)
• Echtzeitinformationen über Sensoren (Sensor Data Fusion)
Cyber-Physical Systems SS12 68
Quelle: P. Hecker et al. Reliable Information Aggregation and Exchange for Autonomous Vehicles. 2011
Hierarchische Umgebungsinformationen
Cyber-Physical Systems SS12 69
Quelle: P. Hecker et al. a.a.O. 2011
Herausforderungen
• Übung
Cyber-Physical Systems SS12 70
Bewertung
• CPS: ja oder nein?
• Diskussion
Cyber-Physical Systems SS12 71
CPS FACTORY
Eine intelligente, modulare Fabrik
Cyber-Physical Systems SS12 72
CPS Factory (Vogel-Heuser et al.)
• Flexible, adaptive, selbstorganisierte Produktion
• Beispiel-Szenario: Bestellung einer Küche
1. Kunde K bestellt eine Küche mit den folgenden Anforderungen
• Geringer Preis
• Verwendung ökologisch einwandfreier Materialien
• Nachhaltige Produktion
2. Fertigung der Möbel in Deutschland:
Fabrikant FD bestätigt Auftrag
3. Fertigung der Arbeitsplatte in Osteuropa:
Fabrikant FOE bestätigt Auftrag
4. K ändert den Auftrag: Andere Arbeitsplatte
5. FD bearbeitet den Auftrag
6. FOE ändert die Produktionsmethode
Cyber-Physical Systems SS12 73
Eigenschaften von CPS-Produktionseinheiten
• Ortsunabhängigkeit: Bei Bedarf können Sie den Standort
bzw. Anlagenbetreiber wechseln
• Kontextspezifizität: Planung neuer Produktionseinheiten auf
Basis von Kundenanforderungen an die Produkte
• Adaptivität: Änderung der Produktionseinheiten bzw. des
Prozesses bei Ausfall oder Kapazitäts-Engpässen
• Teil-Autonomie und Automatisierung: Selbständiges
Arbeiten der Produktionseinheiten
• Vernetzung: Produktionseinheiten können weltweit verteilt
und vernetzt sein
Cyber-Physical Systems SS12 74
CPS Factory – Beteiligte Akteure
Cyber-Physical Systems SS12 75
Quelle: B. Vogel-Heuser. Agenda CPS – Szenario Smart factory. 2011
CPS Factory – Voraussetzungen
• Interoperabilität zwischen Hardware- und Software der
Internettechnologien und den Produktionseinheiten
• Einhaltung aller nicht-funktionaler Eigenschaften
(insbesondere Safety und Security)
• Überführung der Produktdaten in die Steuerungssysteme
( große Effizienzsteigerungen, da weniger Fehler durch
automatische Datenübertragung)
• Flexiblere und übergreifende Organisations-, Management-
und Kooperationskonzepte
• Vertrauenswürdiges Marktmodell
Cyber-Physical Systems SS12 76
Kundenspezifische Produktion
• Aus kundenspezfische Daten wird das ideale Produktionssystem ausgewählt – Flexible, kontext-adaptive Kooperation über Unternehmensgrenzen
– Verhandlungen und Verhandlungsstrategien
– Berücksichtigung von Rahmenbedingungen
• Auslastung
• Standort
• Logistikkosten
• Kompatibilität der Produkttionseinheiten verschiedener Betreiber
• Eigenständige Kommunikation mit Hilfe von Web-Services
• Vertikale Vernetzung zur Steuerung von Produktionsanlagen
• Horizontale Vernetzung zur Interaktion von Produktionseinheiten
Cyber-Physical Systems SS12 77
Auftragsänderung
• Kunde will eine andere Arbeitsplatte
– Andere Produktionsmethode
– Aufwendigere Vorbehandlung
• Fähigkeiten
– Auftragsänderung trotz Auftragsbestätigung und begonnener
Fertigung der Küche
• Anforderungen
– Adaptivität der Wertschöpfungskette
– Heterogenität der Produktionseinheiten
– Vertikale Vernetzung
– Unternehmens-übergreifender Datenaustausch
– Context-/Situation-Awareness
Cyber-Physical Systems SS12 78
Änderung der Produktionsmethode
• Beispiel: – 4 Produktionseinheiten kommen in Frage, eine wird ausgewählt
– Transport der ausgewählten Produktionseinheit zum Anlagenbetreiber
– Integration der Produktionseinheit
• Fähigkeiten – Bewertung der Produktionseinheiten ( Entscheidung)
– Neue Zuordnung von Produktionseinheiten zu Anlagenbetreibern
– Vernetzung von Produktionseinheiten und Anlagenbetreibern
– Integration anderer Produktionseinheiten im laufenden Betrieb
• Anforderungen – Unternehmens-übergreifender Datenaustausch
– Horizontale Vernetzung
– Interoperabilität der Produktionseinheiten
– Verhandlungen
Cyber-Physical Systems SS12 79
Aufwendigere Vorbehandlung
• Beispiel – Für die aufwändige Vorbehandlung können keine vorhandenen
Produktionseinheiten eingesetzt werden
– Produktionseinheit, die anpassbar ist macht Angebot zur Entwicklung einer Änderung (bspw. Integration einer größeren Auflagefläche, sodass größere Platten gefertigt werden können)
– Da die Produktionseinheit nicht portabel ist, wird ein Unter-Auftrag vergeben
• Fähigkeiten – Adaption und Evolution von Produktionseinheiten nach
Auftragseinspeisung
• Anforderugnen – Skalierbarkeit
– Durchgängige Tool-Chain und Datenmodellierung und Modell-getriebene Entwicklung
– Offene Plattformen
– Verhandlungen und Mehrzieloptimierungen
– Automatische Code-Generierung
Cyber-Physical Systems SS12 80
Technische Merkmale 1 / 2
• Datendurchgängigkeit
• Bereitstellung notwendiger Daten
• Zugriffsschutz auf das in den Produktions- und
Technologie-Daten vorhandene Unternehmens-Know-How
• Einheitliche Architekturen und Ontologien für Module,
Anlagen, Produkte, etc. hinsichtlich
– Eigenschaften
– Fähigkeiten
– Schnittstellen
– Datendarstellungen
• Produktbeschreibungen auf Basis der Ontologien
Cyber-Physical Systems SS12 81
Technische Merkmale 2 / 2
• Flexible, adaptive Produktionseinheiten mit
Rekonfigurierbarkeit und Struktureller Änderbarkeit
• Sensoren und Aktoren an den Produktionseinheiten
• Weltweite Verteilung der Daten und Dienste, bei hoher
Verfügbarkeit
• Lokale Intelligenz bei den Produktionseinheiten
– Sammeln und Auswerten von Daten
– Autonome Steuerung
– Interaktion mit digitaler und realer Welt
• Nutzung Digitaler Netze
Cyber-Physical Systems SS12 82
Herausforderungen
• Horizontale und Vertikale Vernetzung – Datenaustausch zwischen allen Beteiligten
– Datenaustausch zwischen allen Systemen innerhalb eines Unternehmens
• Integrative disziplinübergreifende Entwicklung von Produkt und Produktionssystem
• Modularisierung
• Modell-getriebene Entwicklung – Unterschiedliche Abstraktionsniveaus
– Domänenspezifische und domänenübergreifende Modelle
– Code-Generierung aus den Modellen
• Durchgänigge Tool-Chain
• Methoden und Werkzeuge – Modellierung, Validierung, Visualisierung, Code-Generierung, …
– Modelle und Beschreibungssprachen
– Software-Werkzeuge für Entwurf, Datenfluss, Work-Flow, ERP, …
Cyber-Physical Systems SS12 83
Bewertung
• CPS: ja oder nein?
• Diskussion
Cyber-Physical Systems SS12 84
Wie geht es weiter?
Cyber-Physical Systems SS12
1. Was sind “Cyber-physical Systems”?
• Definitionen und Abgrenzung zu eingebetteten Systemen, Ubiquitous
Computing, etc.
2. Anwendungen für Cyber-physical Systems
• Beispiele im Bereich Verkehr, Infrastruktur u.a.
3. Kontrolltheoretische Grundlagen
4. Echtzeitanforderungen – Control-Scheduling-Co-Design
5. Vernetzung und Kommunikation
6. Selbstorganisationsprinzipien
• „Self-X“, Autonomie, Verhandlungen
• Autonomic Computing und Policy-based Management
7. Entwurfsmethoden für Cyber-physical Systems
• Modellierung
• Programmierung
85
Übersicht
Cyber-Physical Systems SS12 86
Definition (Kap. 1)
Vernetzte, eingeb. Systeme
Steuerungsaufgaben
Anbindung
physik. Prozesse
Beispiele (Kap. 2)
Verkehrstechnik
Dist. Robotics
Garden
Autonomes Fahren
Smart Cities
CPS-Factory
Regelungstechnik (Kap. 3) Reglerentwurf
Scheduling (Kap. 4) Echtzeit Scheduling
Kommunikation (Kap. 5)
Selbstorganisation (Kap. 6)
BUS SOA
Autonomics PBM Verhandlungen
Entwurfs-
methoden
(Kap. 7)
CSCD
Modell-
Integration
Automat.
System-
Entwurf
SystemJ
Recommended