Bei cyber-physischen Systemen, kurz CPS, handelt es sich um Systemeinheiten beziehungsweise Komponenten, die mittels Software, Elektronik und Mechanik, der sogenannten cyber-physischen Infrastruktur, miteinander verknüpft sind. Dabei dienen die Technologien aus Internet der Dinge (IoT) und Industrie 4.0 als Übertragungsmedium. Der einhergehende Informationsaustausch sowie die Kontrolle und Steuerung werden dabei automatisch und vor allem im Bereich von Millisekunden abgewickelt. Die Bestandteile einer solchen Infrastruktur sind in der Regel Maschinen, Roboter, miteinander vernetzte Einzelkomponenten (Netzwerke (siehe auch Kommunikation im Informationssystem), Rechner, Chips, Sensoren und Aktoren (Antriebselemente) aber auch Fördertechnik, beispielsweise innerhalb eines Distributionszentrums.

Mittels Durchdringung der Technologien aus Industrie 4.0 und IoT können heutzutage Produktkomponenten, Maschinen und andere Hardware-Elemente miteinander kommunizieren und die dazugehörigen Informationen entlang einer Produktionsstraße austauschen. So bekommen speziell die Bereiche Intralogistik und Produktion neue Werkzeuge in die Hand, die Supply Chain (siehe auch Wertschöpfungskette) individuell an ihren ‚Bedürfnissen‘ anzupassen. Im Grunde kann ein CPS aus einzelnen Komponenten bestehen, die für sich genommen ebenfalls ein CPS darstellen. In der Folge kann sich jedes einzelne Element zu einem neuen System verbinden und so mit seiner Umwelt interagieren – ähnlich den vernetzten, kognitiven Produktionssystemen.

Die Basistechnologien für CPS finden sich in verschiedenen Teilgebieten der Informatik: Eingebettete Systeme, ereignisgetriebene Architekturen, Internet-Technologien und Sensor-Netzwerke. Gemein ist allen Teilgebieten, dass es um die Steuerung von Echtzeit-Systemen geht.

Professor Dr. Christian Janiesch, Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Cyber-physische Systeme in der Praxis

Mithilfe von Sensoren verarbeiten diese Systeme dann Informationen und kleinste strukturierte Datensätze (siehe Smart Data) aus der physischen und somit natürlichen Welt und projizieren diese auf die digitale Ebene. Netzbasierte Dienste können die digitalisierten Informationen dann nutzen und anderen Maschinen, Robotern und Komponenten zur Verfügung stellen. Aktoren beziehungsweise Antriebselemente, also auch speicherprogrammierbare Steuerelemente können dann anhand der Informationen partizipieren und im Umkehrschluss direkt auf Vorgänge in der physischen Welt einwirken.

Mögliche Bestandteile von CPS

• Sensoren
• Aktoren
• Embedded-Systeme
• Netzwerke
• Computer (Speicher, Server, Rechenleistung)
• Spezielle Software (autonomes Computing)
• Echtzeit-Informationsverarbeitung
• Datenbanken
• Dialogsysteme
• WLAN-Technologien

Die Computerwoche zählt zudem folgende Segmente auf

• Objekt, Dienste, Ereignisse
• Kommunikation
• Kontext-Management
• Objekt-Management
• Physische / virtuelle Entität
• Objekt-Beziehungen
• Objekt-Gedächtnis

Letztere Aufzählung zeigt, dass sich cyber-physische Systeme nicht nur aus reinen Informationen heraus zu einem produktiven System entwickeln. Vielmehr sind es Eigenschaften und Beziehungen (auch situationsbedingt), die jede einzelne Komponente annimmt oder annehmen kann.

Eine aktuelle Studie des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (Stand 2018) geht davon aus, dass auch Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) oder Additive Manufacturing (AM) ebenfalls eine wesentliche Rolle im Rahmen von cyber-physischen Systemen einnehmen werden. „In der industriellen Produktion werden internetbasierte Systeme entstehen, mit denen die Fernüberwachung selbstständig arbeitender Produktionssysteme möglich ist“, so beispielsweise die Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V. „Erste Ansätze zu CPS gibt es bereits heute – etwa in Form von Navigationssoftware. Zur verbesserten Routenführung leitet sie mithilfe von Mobilfunkdaten Stauinformationen aus aktuellen Bewegungsprofilen ab. Weitere Beispiele sind Verkehrssteuerungssysteme aus dem Bereich des Zug- oder Flugverkehrs. Hier greifen die Systeme aktiv steuernd ein.“ Mittlerweile sind cyber-physische Systeme Teil des intelligenten Stromnetzes und werden in Zukunft nicht nur Fahrzeuge mittels Navigation durch unerkanntes Gebiet führen; CPS werden auch den Straßenverkehr koordinieren – speziell, wenn es um automatisierte und autonome Fahrzeuge geht. Zudem werden CPS das Gesundheitssystem durchdringen und Patienten mit Ärzten und die dazugehörige Infrastruktur vernetzen (Krankenhäuser).

CPS und die Intralogistik

Und speziell in der Intralogistik und Produktion ist dieses Routing und somit ein flüssiger und durchgängiger Materialfluss existenziell. Die Herausforderung dabei: Distributionszentren müssen heutzutage immer individueller auf Kundenwünsche reagieren. Betrachtet man beispielsweise die Losgröße Eins, behindern sich in der Regel das überproportionale Wachstum und die logistische Komplexität gegenseitig. So ist speziell die individuelle Massenproduktion via cyber-physische Systeme eine zentrale Herausforderung für die Produktion und Extralogistik beziehungsweise Intralogistik. In Zukunft müssen Unternehmen flexibel auf Kundenanforderungen reagieren und bei niedriger Losgröße eine hohe Variantenanzahl an Produkten anbieten – sprich, die Supply Chain eines jeden Produktes muss sich nachhaltig und gemeinsam entwickeln. Als Hilfsmittel gelten Management-Tools wie CPFR, ECR und PLM.

Je komplexer die Systeme werden, umso mehr muss die Logistik mit Dezentralisierung und Selbstorganisation reagieren. Letzteres können CPS schon heutzutage in sehr guter Ausprägung leisten. Man spricht auch vom sogenannten *‚Design-Driven Manufacturing Process‘, bei dem die Konstruktion die Fertigung bestimmt – und nicht umgekehrt (*Quelle EOS). Bezogen auf die Losgröße Eins bedeutet das, dass cyber-physische Systeme mittels der erwähnten Technologien aus Industrie 4.0 und IoT eine individuelle Fertigung der Losgröße Eins ermöglichen, zu den Kosten eines Massenprodukts. Zusätzlich bieten solche Systeme in der Logistik und Produktion eine bedarfsorientierte Optimierung von Wertschöpfungsprozessen; als Beispiel ist das Retrofit genannt.

Zusammenfassung CPS

Will man praxisorientiert die Technologien innerhalb eines cyber-physischen Systems erklären, spricht man in der Regel von untereinander kommunizierenden Produkten und Maschinen, die Bauteile, Waren und Informationen zur richtigen Zeit am richtigen Ort vorrätig halten. Es handelt sich dabei um Systeme mit eingebetteter Software und Elektronik, die über Sensoren und Aktoren mit der Außenwelt (lokal und via Internet) vernetzt sind und miteinander kommunizieren. Mithilfe der Sensoren verarbeiten diese Systeme Daten aus der physischen (der natürlichen) Welt und machen sie für netzbasierte Dienste verfügbar, die durch Aktoren direkt auf Vorgänge in der physischen Welt einwirken können*.

*Quelle und Teildefinition der Helmholz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.

Bild: NicoElNino / Thinkstockphotos

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