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SafeTRANS – Fit für die Zukunft: Ausrichtung, Themen und Umsetzung

Internationale Studie bestätigt: Ohne Embedded Software und die Beherrschung komplexer Systeme werden technologische und damit auch gesellschaftliche Herausforderungen nicht zu bewältigen sein. 

Inhaltsverzeichnis

Anhand einer Analyse des SafeTRANS „Stamm-Technologiefeldes“ Embedded und Cyber-Physical Systems werden die Aktivitäten von SafeTRANS erläutert und anschließend deren gesellschaftliche und ökonomische Bedeutung eingeordnet. Die europäische Studie zu „Embedded Intelligence: Trends and Challenges“ [1] verdeutlicht die technische und wirtschaftliche Bedeutung eingebetteter Systeme und CPS im Rahmen elektronischer Komponenten und Systeme. Die zusammenfassende Bestandsaufnahme der strategischen Ausrichtung wissenschaftlicher und industrieller Forschung und Entwicklung sowohl im nationalen als auch im europäischen Umfeld bestätigt die große Bedeutung der Koordinierung starker Partner für zukunftsweisende Lösungen.

 ACPS – autonom, vernetzt und anpassungsfähig

Computing Systems durchdringen unser tägliches Leben, größtenteils eingebettet, z. B. in Consumer Electronics, medizinischen Geräten, in der Energieversorgung oder dem Transportbereich, um nur wenige Einsatzgebiete zu nennen. Dank kontinuierlicher Weiterentwicklung der Leistungsfähigkeiten von Soft- und Hardware rücken verstärkt hochautomatisierte bzw. gar autonome CPS (ACPS) bzw. Gruppen von ACPS und Systems-of-Systems (SoS) in den Fokus. ACPS und SoS ermöglichen die Vernetzung einer Vielzahl von Dingen und Anwendungen zu größeren Einheiten (Abb. 1). Die Systeme erlauben, u. .a. durch hochleistungsfähige Sensoren, bessere Vernetzung und funktionsstärkere Software, neue Funktionen, wie beispielsweise die eigenständige Anpassung an sich verändernde Umwelten und selbstständiges Agieren in dynamischen Situationen. Dazu können diese Systeme typisch ihre eigenen Fähigkeiten anpassen, mit möglicherweise unvorhergesehenem Verhalten – beispielsweise durch Aktualisierungen von Soft- oder Hardware im Feld und/oder durch „Lernen“. Die Anwendungen sind auf heterogenen Systemen verteilt realisiert, mit einer Vielzahl von Ressourceneinschränkungen und müssen erhöhte Anforderungen an (Cyber-)Sicherheit aufgrund verstärkter Kommunikation durch zunehmende Vernetzung, zum Teil mit Cloud-basierten Diensten, erfüllen. Hinzu kommt bei SoS im Unterschied zu CPS in Einzelsystemen, dass die Steuerung nicht zentral erfolgt, sondern durch das Zusammenwirken der Einzelsysteme quasi zur Laufzeit entsteht.

Abb. 1: Stufen des Vernetzungsgrades von Systemen

Um die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten dieser Systeme nutzen zu können, müssen hohe Anforderungen an Sicherheit und Beherrschbarkeit gewährleistet sein. Bei Entwicklung, Test und Absicherung spielen Verständlichkeit und (Fehler-)Nachvollziehbarkeit eine entscheidende Rolle, um trotz extrem hoher Komplexität und teilweise nicht vorhersehbaren Konstellationen die Sicherheit der Systeme prüfen und sicherstellen zu können. Die Entwicklung der Systeme sowie das kontinuierliche Testen der korrekten Ausführung der „richtigen“ Funktionen muss, neben der Funktionalität an sich, durch neue Verfahren und (Zertifizierungs-)Methoden abgedeckt werden, da der „Raum der möglichen Verhalten“ zu groß ist, um umfassend getestet werden zu können.

Aktivitäten für zukunftsfähige ACPS

Der Aufbau dieser Systeme und die Gewährleistung ihrer Sicherheit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Zertifizierung erfordern innovative Technologien in den Bereichen Modellierung, Software-Engineering, modellbasiertes Design, Verifikation und Validierung sowie virtuelles Engineering, auch unter wirtschaftlichen Aspekten. Diese Entwicklungen und speziell die Absicherung durch neue Entwicklungs-, Testmethoden und Werkzeuge hat SafeTRANS bereits in der Roadmap „Hochautomatisierte Systeme“ (2017) aufgezeigt. Die Ergebnisse der Roadmap flossen u. a. ein in die Strategiepapiere europäischer Förderinstrumente, wie die ECS SRA 2018 und 2019 [2] . In Fortführung der Roadmap zu hochautomatisierten Systemen setzt sich SafeTRANS mit Herausforderungen selbstlernender, komplexer Systeme im Arbeitskreis „Resiliente, lernende und evolutionäre Systeme“ auseinander, der 2018 startete und seine Ergebnisse in der Forschungsroadmap „Safety, Security, and Certifiability of Future Man-Machine Systems“ [3]. Ende 2019 veröffentlicht hat. Die Roadmap beschreibt erstmalig eine systematische Kategorisierung der Komplexität zukünftiger ACPS in verschiedene Dimensionen, entlang derer sich diese Komplexität entwickelt. Auf Basis dieser Komplexitätsdimensionen wird der Forschungs- und Entwicklungsbedarf sowohl für die CPS selbst als auch für zugehörige Test-, Validierungs- und Zertifizierungsverfahren abgeleitet (mehr zur Roadmap ab in diesen SafeTRANS News).
Die Roadmap „Safety, Security, and Certifiability of Future Man-Machine Systems“ wird durch den Arbeitskreis „Branchenübergreifende Prozesse, Methoden und Technologien für Safety und Security hochautomatisierter Systeme“ ergänzt. Der AK erarbeitet und analysiert auf Grundlage eines Continuous Development (DevOps) Ansatzes eine Konkretisierung der relevanten Themen aus der Komplexitätsdimension „Integrität und Zertifizierung“ der umfassenderen, abstrakteren Roadmap „Safety, Security, and Certifiability of Future Man-Machine Systems“.
Plattformen und Interoperabilität sind und waren seit jeher ein wichtiges Thema für ACPS. Dies gilt sowohl für die Systeme selbst - insbesondere für den Aufbau von sektorübergreifenden Lösungen z.B. im Bereich SmartCity - als auch für den Bereich der Entwicklungsprozesse, in der eine Fülle von unterschiedlichen Methoden und Werkzeugen zum Einsatz kommt.
Plattformen, Interoperabilität und die zugehörigen Standardisierungen sind daher seit den Anfängen in 2006 ein wichtiges Thema für SafeTRANS. SafeTRANS setzt sich für Interoperabilitätsstandards bei Entwicklungswerkzeugen- und -plattformen ein. Durch Abstimmung von großen europäischen FuE-Projekten sowie im nationalen Bereich wird Entwicklungsknowhow weitergegeben, werden Forschungsergebnisse nachhaltig genutzt und Standardisierungsprozesse vorbereitet (CESAR, MBAT, SPES, SPES-XT, EANBLE-S3, StepUp!-CPS, ….).
Darüber hinaus verstärkt SafeTRANS sein Engagement im Bereich Wissenstransfer und Begleitung von FuE-Projekten durch den Aufbau und die Moderation sogenannter Advisory Boards zu bestehenden öffentlich geförderten Projekten.
In einem Advisory Board sind Akteure aus allen Teilen der Wertschöpfungskette (Forschungsinstitute, Universitäten, OEMs, Zulieferer, Tool-Hersteller, Consulting) der betreffenden Branchen vertreten, die mit ihrem Knowhow Partner in FuE-Projekten unterstützen, allerdings selbst keine Projektpartner sind. Advisory-Boards vereinfachen eine schnelle und direkte Rückmeldung von Experten an die Projektpartner und ermöglichen den beteiligten Akteuren schnellen Zugang zu Wissen über aktuelle Grundlagenforschung. Durch den koordinierten Wissenstransfer zwischen Partnern in und außerhalb des Projekts in einem schlanken Prozess schaffen Advisory-Boards „Öko-Systeme“ zur Unterstützung von Forschung und Entwicklung (mehr zu Advisory-Boards siehe in diesen SafeTRANS News).
Um neben den Projekt-getriebenen Aktivitäten ein öffentliches Forum für Austausch und Networking nutzen zu können, hat SafeTRANS das Symposium „Safe­TRANS Industrial Day“ etabliert. Der SafeTRANS Industrial Day richtet sich mit domänenübergreifenden Fachvorträgen, Demonstrationen und Diskussionsrunden an Entscheider und Entwickler und ermöglicht mit einem hochkarätigen Programm Wissen auszutauschen, neue Kontakte zu knüpfen sowie vorhandene zu vertiefen (mehr zum letzten SafeTRANS Industrial Day in diesen SafeTRANS News).

Abb. 2: Der SafeTRANS-Fokus der Technologiefelder (dunkles Blau) in Zusammenhang mit Bereichen der monetären Wertschöpfung (helles Blau) und der prognostizierten Wertsteigerung (Grau). Die von Experten empfohlen anwendungsübergreifenden integrierten Plattformen in Grün. (Quelle: Grafik SafeTRANS, Inhalte aus: Embedded Intelligence: Trends and Challenges. A Study by Advancy. ARTEMIS-IA (Hrsg.). 2019)

ACPS und Wertschöpfung

Die eng miteinander und mit Menschen agierenden (A)CPS erfordern neue Formen der Mensch-Maschine Interaktion (Schlagwort: "Von Assistenz zu Kooperation"). Entsprechende Kommunikations- und Kooperationsstrategien werden zunehmend in Software realisiert, um Flexibilität und Update-Fähigkeit zu erreichen. Dies bedingt einen Wandel in den Wachstumsraten der einzelnen Stufen der Wertschöpfungskette. Aktuell liegt der größte Teil der Wertschöpfung in Bereichen mit unter 10 % Software-Anteil (elektronische Komponenten, Boards, etc.) [4]: Die Werterzeugung wird sich von Produkten hin zu (System-)Lösungen verschieben (siehe Abb. 2). Besonders die Bereiche sich selbst regulierender Netzwerke (KI) und dynamisch vernetzter Dinge und Anwendungen werden zukünftig an Bedeutung gewinnen. So ist eine anwendungsorientierte Grundlagenforschung für Industrie und Forschungsinstitutionen erforderlich, um Innovationen und Lösungen für automatisierte oder autonome CPS und SoS zu schaffen und sich in einem globalen Wettbewerb behaupten zu können.
SafeTRANS kann und wird seine Aktivitäten zur Unterstützung national und europäisch abgestimmter Forschung und Entwicklung verstärken, indem:

  • domänenübergreifend Experten der gesamten Wertschöpfungskette zusammengebracht werden, um FuE-Aktivitäten zu planen, durchzuführen und Lösungen zu entwickeln
  • Maßnahmen zur Stärkung und Intensivierung der Kooperation von starken Industrievertretern mit hochkarätigen Forschungsinstituten
  • die politische Sichtbarkeit der Themen unterstützt wird
  • die bereits angegangene Öffnung der Transportdomäne gegenüber anderen Domänen weiter vorangetrieben wird
  • Standardisierungsmaßnahmen für Entwicklungswerkzeuge unterstützt werden.

Trotz und gerade wegen der aktuellen gesellschaftlichen Herausforderungen werden ACPS nicht an Bedeutung verlieren, sondern bei der Funktionalität und Steuerung medizinischer, Energie- und Transportsysteme immer bedeutender. Sie sind und werden zu einem wesentlichen Rückgrat und Bestandteil jeder Lösung für die gesellschaftlichen Herausforderungen. Um so wichtiger, dass die Entwicklung, Überprüfung und der Sicherheitsnachweis nachvollziehbar und anpassbar sind und bleiben.

[1] Embedded Intelligence: Trends and Challenges. A Study by Advancy. ARTEMIS-IA (Hrsg.). 2019

[2] ECS Electronic Compoments & Systems. Strategic Reseach Agenda 2018 (2019). AENEAS, ARTEMIS-IA, EPoSS (Hrsg).

[3] Safety, Security, and Certifiability of Future Man-Machine Systems. Arbeitskreis Resiliente, lernende und evolutionäre CPS. SafeTRANS (Hrsg.). 2019

[4] Embedded Intelligence: Trends and Challenges. A Study by Advancy. ARTEMIS-IA (Hrsg.). 2019