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TrendCyberphysische Systeme

„Topma­nage­ment versteht zu wenig von Soft­ware“

Lesezeit ca.: 6 Minuten
Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

„Cyber-Physical Systems“ (CPS) versprechen eine Welt, in der vieles vernetzt wird. Software und physische Komponenten müssen dazu integriert entwickelt und getestet werden. Wir haben Informatiker und CPS-Wissenschaftler Prof. Manfred Broy von der Technischen Universität München zu den akuten Wachstums­pro­blemen befragt.

02. Dezember 2016

Wo sehen Sie heute die größten Defizite bei CPS, Herr Prof. Broy?

Zunächst einmal sei die These in Frage gestellt, ob in einer Welt, in der alles vernetzt ist, wirklich vieles einfacher wird. Die damit verbundene Bequemlich­keit und Effizienz werden wir mit einer gewissen Komplexität der Systeme und auch mit bestimmten Risiken bezahlen müssen: Cyber Security ist dabei nur ein Problem von vielen. Wir müssen aber letztlich sicherstellen, dass sie für die Nutzer attraktiv sind. Prägnante Beispiele sind hier sicher Smart Home oder auch die vernetzte Mobilität.

Welche Vorausset­zungen müssen denn für ein funktionie­rendes Zusammen­spiel von Cyber und Physik erfüllt sein?

In erster Linie die Beherrschung von Software. Denn sowohl in der Entwicklung wie auch in der Produktion und in den Produkten von cyberphy­si­schen Systemen werden Software­sys­teme zukünftig eine viel entschei­den­dere Rolle einnehmen. Deshalb ist es zwingend erforder­lich, diese so zu gestalten, dass sie nahtlos miteinander zusammen­spielen, strukturiert, modular und schnell weiterent­wi­ckelbar sind.

Sind sie das nicht längst?

Nein! Software­sys­teme sind leider immer noch sehr monolithisch und auf eine spezielle Hardware­um­ge­bung ausgerichtet. Deshalb sind sie auch nur schwer auf andere Umgebungen oder Anwendungen übertragbar. Dadurch verlieren wir die notwendige Abstrakti­ons­ebene zur Vernetzung, Interope­ra­bi­lität und Weiterent­wick­lung.

Wer oder was verhindert denn diese Umsetzung?

Das Topmanage­ment versteht heute in der Regel immer noch zu wenig von Software. Und wenn im Vorstand kein Bewusstsein und keine tiefen Kenntnisse bezüglich dieser Themen existieren, dann kann auch die gesamte Firma kein Bewusstsein dafür entwickeln. Mitarbeiter orientieren sich daran, was ihnen die Vorgesetzten vorgeben.

Andere Vorstellungen haben es dann sehr schwer, sich durchzusetzen. Den Unternehmen mangelt es oft an strikter Software Governance, die in erfolgrei­chen Firmen knallhart durchgesetzt wird. Wenn aber auf Vorstands­ebene kein Know-how zum Thema Software vorhanden ist, dann wird darunter auch nicht nach den entsprechenden Prinzipien gearbeitet.

Es sollte also schnells­tens gehandelt werden … !?

Unbedingt! Eine Prognose der Marktfor­scher von A.T. Kearney bereits aus dem Jahre 2010 sagt voraus, dass sich die Software­an­teile in den Entwicklungs­auf­wänden der Automobil­firmen bis zum Jahre 2025 verdoppeln werden. Software wird dann den gleichen Rang einnehmen wie Maschinenbau und Elektrotechnik. Die Software bestimmt auch immer stärker das Profil des Produkts und somit die Wettbewerbs­fä­hig­keit. Ein Autokunde fragt heute öfter nach Konnekti­vität als nach der Motorleis­tung.

Okay. Bewusstsein schaffen und dann … ?

… sich an den Schichten­mo­dellen aus der Telekommu­ni­ka­tion und dem Internet ein gutes Beispiel nehmen: Deren Software hat Abstrakti­ons­ebenen und eine klare Abtrennung von Application Layer und Hardware Layer sinnvoll ausgeprägt. Ohne diese Software nach diesen Strukturie­rungs­prin­zi­pien gäbe es heute keine mobile Telefonie und keine Smartphones – nichts dergleichen! So müssen auch in allen Bereichen des Engineerings umfassende Modelle für die Produkti­ons­ab­läufe und für das Verhalten der Cyber-Physical Systems geschaffen werden. Programmier­spra­chen müssen in der Lage sein, die Komplexität der Anwendung direkt zu adressieren, ohne durch hardware­nahe Konzepte zusätzliche Komplexität zu schaffen.

Computer­hard­ware und somit auch CPS wird immer schneller, aber die schnellste Lösung ist eventuell nicht die beste Lösung.

Wenn es schnell gehen soll, kann es vielleicht nicht immer ganz so genau gehen. Wenn es nicht ganz so genau gehen muss, kann es schneller gehen. An vielen Stellen arbeiten wir mit approxima­tiven Lösungen. Dies sind Lösungen, die nicht exakt korrekt sind, aber hinreichend genau und weniger Zeitaufwand erfordern. Dieses Thema ist auch schon deshalb relevant, weil auch Sensoren nicht mit absoluter Präzision messen. Es ist also immer die Frage, wie genau muss es sein und wie schnell muss es gehen ...

… und wie sicher ...

... viele Stimmen sagen, wir hätten die Schlacht um die Security bereits verloren. Das aber scheint mir eine Spur zu pessimis­tisch. Denn die Frage ist nicht, wie man die Systeme absolut sicher gestalten kann, sondern wie sicher müssen sie im Betrieb sein, um – statistisch betrachtet – gefahr- und risikolos zu funktionieren. Für die Security – also die Angriffs­wahr­schein­lich­keit – lassen sich keine verlässli­chen Wahrschein­lich­keiten beziffern. Anders verhält es sich bei der Betriebs­si­cher­heit – also dem Aspekt Safety: Dort gibt man sich in vielen Anwendungen erst mit einer Wahrschein­lich­keit von eins zu einer Milliarde zufrieden. Wir brauchen also für CPS Modelle, in die Wahrschein­lich­keits­be­trach­tungen einbezogen sind. Trotzdem haben viele der verbreiteten Modellie­rungs­spra­chen für CPS wie die OMG Systems Modeling Language (OMG SysML) gar keine Möglichkeiten vorgesehen, eine Wahrschein­lich­keit in die Modelle einzubauen. Modellie­rungs­spra­chen, die heute genutzt werden, sind nicht ausdrucks­mächtig genug, um Wahrschein­lich­keits­zu­sam­men­hänge überhaupt zu erfassen! So hat das eingesetzte Werkzeug bereits erhebliche Mängel.

Mangelhaft und zu komplex?

Ja, denn in manchen Bereichen haben wir die kritische Masse der Komplexität bereits heute erreicht. Ich denke nur an die Fülle der Legacy-Systeme im Software-bereich. Hier muss man unterscheiden zwischen der Komplexität, die inhärent in einer Anwendung steckt, und der Komplexität, die durch ungeschicktes Engineering in die Anwendung eingebracht werden kann. Reduktion von Komplexität und Einfachheit ist eines der wichtigsten Entwurfs­ziele.

Was heißt das konkret?

Die Entwicklungen von Programmier­spra­chen sind im Wesentli­chen davon geprägt, dass man versucht hat, Zeitabhän­gig­keit aus den Sprachen fernzuhalten. Zeitabhän­gig­keit war damals auch nicht notwendig, weil die Software von der Beschrei­bung der Wirklich­keit weit entfernt war. Aber bei CPS hat man es immer mit Zeit zu tun. Es ist im Grunde immer noch nicht vernünftig gelungen, in die Programmier­spra­chen einen Umgang mit der Applikati­ons­zeit einzubauen.

Bitte um ein Beispiel.

Wenn ein Airbag sich entfalten soll, dann muss er eben in 160 bis 180 Millisekunden entfaltet sein. Das kann ich heute in einer Programmier­sprache nicht vernünftig ausdrücken. Und wie macht man es dann? Man schreibt ein Programm, flanscht es auf eine Hardware und versucht dann auszubalan­cieren, wie das Programm auf der Hardware laufen muss, damit die 160 bis 180 Millisekunden digital abgebildet werden. Ich habe also keine saubere Trennung zwischen der Applikati­ons­mo­del­lie­rung und der Hardware mit ihrer individu­ellen Ausführungs­zeit. Aber die Hardware-unabhängig­keit ist das Zauberwort für zukünftige CPS-Entwicklungen.

Wo führt diese Entwicklung aus Sicht der Wissenschaft hin?

Grundlagen­wis­sen­schaft­lich ist im Bereich der Cyber-Physical Systems vieles noch gar nicht erschlossen. Gerade das Zusammen­spiel von Mechanik, Physik zum einen und digitalen Ansätzen zum anderen erfordert ganz neue Modelle. Wenn wir digitale Produktion beherrschen wollen, müssen wir im Grunde den gesamten Produkti­ons­pro­zess digital abbilden. Mit geschickt gewählten Modellen erreichen wir eine völlige Spiegelung aller physischen Prozesse digital. Die digitalen Modelle aus den Bereichen Elektrotechnik und Maschinenbau müssen mit den Modellen der Informatik harmonisieren. Der digitale Schatten ist das A und O der Entwicklung und Produktion.

Ihr Résumé lautet deshalb?

Wir müssen, wie bereits erwähnt, sehr viel stärker Elemente nutzen, wie sie gerade im Telekommu­ni­ka­tions- und Internet­be­reich entstanden sind. Den Schwerpunkt auf das Paradigma der Serviceori­en­tie­rung legen und neben der Softwaree­bene diesen auch auf der Systemebene in den Vordergrund stellen. Damit erreicht man ein hohes Maß an Modularität. In den Firmen muss die Bedeutung von Software stärker herausge­stellt werden. Alles kein Zauberwerk; man muss es nur anpacken!

Ausgabe 2016/02

Ausgabe 2016/02

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