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IT und Mechanik gehen eine Symbiose ein

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Bernd Seidel

Bernd Seidel

freier Journalist

IT-Komponenten und mechanische Bauteile verschmelzen immer mehr. Ob im Auto, in der Industrie oder im Haushalt – Software bestimmt maßgeblich den Funktionsumfang von Geräten. Cyber Physical Systems (CPS) erweitern Fähigkeiten von Embedded Systems durch eine bidirektionale Kommunikation mit dem Internet. Angesichts zunehmender Komplexität fordert Professor Manfred Broy von der TU München eine Systemmodellierung, die IT und Mechanik als Einheit versteht und die Komplexität und die enormen Aufwendungen für Integration reduziert.

19. Februar 2014

Das Thema „Internet der Dinge“ macht derzeit Schlagzeilen. Intelligente Haushaltsgeräte, Industrie 4.0 oder Smart Grids sind einige Beispiele dafür. Sind CPS nur ein anderer Begriff dafür?

Manfred Broy: Die Marketingstrategen sind an Kreativität manchmal nicht zu überbieten. Über den Begriff und die genaue Definition von CPS kann man sich sicher streiten, wir haben allerdings gemeinsam mit der Akademie der Technikwissenschaften (Acatech) eine klare Beschreibung. CPS bestehen aus drei wesentlichen Komponenten: einem IT-Teil, Software und Elektronik, aus Mechanik und einer Kommunikation mit dem Internet. Sie sind also mehr als ein klassisches eingebettetes System. CPS sind Systeme – mit Sensorik und Aktorik – bei denen eine unmittelbare Verbindung und Wechselwirkung zwischen der elektronischen Welt, insbesondere Software, und der physischen Welt, also einem mechanischen Bauteil oder der Umgebung besteht. Kurz: Die IT steuert das Verhalten und die Funktionalität der Mechanik. Das kann ein vermeintlich einfacher Fensterheber im Auto, ein intelligenter mit dem Web gekoppelter Rasensprenger oder ein komplettes Auto sein. Hinzu kommt, dass diese Systeme über das und mit dem Internet kommunizieren und sowohl Informationen aus dem Netz beziehen als auch Daten aktiv dort hineinschreiben, etwa wie ihr momentaner Zustand ist.

Ein Fensterheber ist also ein CPS?

Broy: In einem VW Käfer aus den 70er Jahren sicher nicht, da musste man noch kräftig Hand anlegen und war als Fahrer die Steuerungseinheit. Kurbelte man das Fenster herunter, hat man in den seltensten Fällen gleichzeitig den Motor gestartet. Es gab nur zwei Zustände: auf und zu. Und es existierten lediglich mechanische Bauteile, die Ingenieure entwickeln und funktional testen mussten. Bei heutigen elektronischen Fensterhebern sieht das anders aus: Neben dem „Schließen“ und „Öffnen“ gibt es beispielsweise die Funktion „Komfortschließen“; man drückt kurz den Knopf und löst ein Verhalten aus. Dieses hängt nun aber davon ab, ob der Wagen aus ist oder ob man gerade starten will. Dann stoppt der Fensterheber, weil die gesamte Energie für den Startvorgang benötigt wird. Im Crashfall schließt sich das Fenster automatisch. Kindersicherung, Energiemanagement und der momentane Zustand des Autos beeinflussen somit das Verhalten des Fensterhebers. Sein Zustand ist abhängig von zig anderen Systemzuständen, bei denen IT-Bestandteile und Mechanik in Abhängigkeiten stehen. Neuartige Möglichkeiten ergeben sich durch das Abgreifen von Informationen aus dem Internet.

Sie fordern für das Zeitalter von Cyber Physical Systems eine neue Art und Qualität im Systems Engineering. Warum braucht es ein Engineering 2.0?

Broy: Ganz einfach: Weil die bisherigen Entwicklungskonzepte und -methoden an ihre Komplexitätsgrenzen stoßen. Die Entwicklungsabteilungen in vielen Unternehmen stöhnen angesichts der hohen Aufwendungen für Integration, Test und Dokumentation, die nach unseren Einschätzungen mehr als 60 Prozent der gesamten Entwicklungsanstrengungen ausmachen. Zudem fordern internationale Standards in puncto Safety, welche die technische Sicherheit eines Systems kennzeichnet, und Security, die die Informationssicherheit beschreibt, einen lückenlosen Nachweis. Das macht Engineering nicht einfacher.

Auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas wurden Anfang Januar eine Vielzahl solcher intelligenten und vernetzten Anwendungen gezeigt. Vom internetfähigen Kühlschrank über Smart-Grid-Anwendungen für die energieeffiziente Haussteuerung bis hin zu Autos, die Daten aus dem Web saugen und dort hineinschreiben. Scheint doch auch ohne neuen Engineering-Ansatz zu funktionieren?

Broy: Ja, aber wie gesagt, verbunden mit enorm hohen Anstrengungen und Qualitätsabstrichen. Das liegt nach unseren Erfahrungen daran, dass die IT-Anteile und die mechanischen Anteile isoliert voneinander entwickelt werden, in zwei verschiedenen Welten. Die IT greift auf bekannte Systemwelten zurück für die Codierung, die Entwicklung von Echtzeit-Anwendungen, für die Gestaltung von Nutzerinterfaces etc. Und auf der anderen Seite haben wir die mechanischen und elektrischen sowie elektronischen Komponenten, die etwa in CAD-Systemen beschrieben, konstruiert und getestet werden. Jede Welt für sich hat einen hohen Qualitätsstand erreicht. Aber bei CPS sind beide Welten eng miteinander verzahnt und beeinflussen sich gegenseitig. Über die eingebaute Software legt man beispielsweise den Funktionsumfang und die Funktionsweise des gesamten Systems fest. Nicht anders ist der Ausspruch des Vorstands eines Automobilherstellers auf der CES in Las Vegas zu verstehen: „Das Auto ist Software.“ Doch das Ausmaß und die Geschwindigkeit, in der CPS entstehen, haben die Entwicklungsteams quasi überrollt. Das schafft eine ganz neue Dimension.

Inwiefern muss sich der Engineering-Prozess verändern?

Broy: Es muss Modelle und Methoden geben, mit denen sich das Verhalten von IT-Bestandteilen und mechanischen Komponenten durchgängig modellieren und testen lässt. Denn im Zusammenspiel und bei den Seiteneffekten sowie bei Funktionalität, an die man nicht denkt, stecken vielfach die Fehler. Das haben unsere Forschungen und Analysen von Projekten gezeigt. Im Auto gibt es heute mehr als 4 000 softwarebasierte Funktionen, die miteinander in Beziehung stehen. Wenn man deren Verhaltenslogik überlegen und nachvollziehen will, braucht man Modelle. Hinzu kommt das, was wir als Interaktion mit dem Kontext bezeichnen.

Können Sie das bitte genauer erläutern?

Broy: Den Kontext kann man sich als Umfeld eines betrachteten Systems vorstellen. Betrachtet man das Auto als Ganzes, ist der Kontext die Straße, die Telematik oder der Fahrer. Zoomt man ins Auto hinein – bleiben wir beim Fensterheber – sind mit Kontext die damit direkt interagierenden Komponenten gemeint. Durchgängig bedeutet, alle Zusammenhänge und Wirkungen auf das System beschreiben zu können. Wie interagiert das System mit seiner Umgebung, und was sind die logischen Beziehungen zueinander. Man muss also den Kontext modellieren können, die Wechselwirkung von Kontext und System und der Wechselwirkung der Teilsysteme, die das System ausmachen.

In den USA ist es Hackern gelungen, kritische Systeme wie die Bremse während der Fahrt von außen zu manipulieren.

Broy: Sie sprechen einen wesentlichen Punkt an. Safety und Security haben bei CPS, die mit der Außenwelt kommunizieren, eine ganz andere Dimension, als wenn man ein isoliertes eingebettetes System betrachtet. Auch hier kann die durchgängige Modellierung helfen, Angriffe und Störungen schon im Vorfeld zu simulieren und die Qualität zu verbessern.  Hinzu kommen Methoden der Gestaltung der Ausführungsplattformen, die Angriffe unterbinden.

Wie ist der Stand der Forschung an Ihrem Institut: Welche Tools und Methoden haben Sie entwickelt?

Broy: Wir haben einen umfassenden Modellierungsansatz und eine Referenzarchitektur entwickelt  und in einem prototypischen Werkzeug „AutoFocus 3“ in weiten Teilen umgesetzt. Es unterstützt die Durchgänge Entwicklung von den Zielen und Anforderungen über die Anforderungsspezifikation bis hin zum Architekturentwurf und der Implementierung einschließlich der Generierung des Codes.

Wie arbeitet der Nutzer mit den „durchgängigen Modellen“, was verändert sich für den Engineer?

Broy: Es wird ein höheres Maß an modellbasierter Information erarbeitet und im Idealfall in einer Projektdatenbank strukturiert gespeichert. Damit ist ein durchgängiges Entwicklungsdatenmanagement möglich.

Welche quantitativen und qualitativen Verbesserungen lassen sich durch eine durchgängige Modellierung erzielen?

Broy: Wir haben im Rahmen einer Dissertation Zahlen erhoben. Es ist irreführend, hier konkrete Zahlen zu nennen, da die Werte von der jeweiligen Ausgangssituation abhängen und somit stark variieren. In einzelnen Fällen liegen die Ersparungen nach Aussagen unserer Partner im höheren zweistelligen Bereich.