Cyber-Physical Systems

Überblick

Softwaresysteme haben in den letzten Jahrzehnten zunehmend den Alltag durchdrungen. Es gibt nahezu keinen Lebensbereich, der nicht durch ein eingebettetes System unterstützt wird. Ein neuer Aspekt der letzten Jahre ist die zunehmende Vernetzung der unterschiedlichsten Systeme. Es entstehen vernetzte Systeme unterschiedlichster Domänen, wenn man zum Beispiel an die Themenbereiche intelligente Stromnetze oder intelligente Fahrzeuge in einer intelligenten Infrastruktur denkt. Solche Systeme werden Cyber-Physical Systems genannt: die Informationstechnik (Cyber) steuert und beeinflusst die reale Umgebung (Physical).

Klar ist dass die Funktionalität  und damit die Komplexität von Cyber-Physical Systems im Vergleich zu den heute vorherrschenden Systemen durch stärkere Verschmelzung von Computersystemen mit der Umgebung, zunehmende Vernetzung bisher unabhängiger Systeme (Systems-of-Systems) und Kontextadaptivität stark ansteigt. Dieser Anstieg wird so stark sein, dass mit herkömmlichen Methoden und Technologien eine kostengünstige und fehlerarme Entwicklung nicht mehr möglich sein wird.

Um die Komplexität in den Griff zu bekommen, werden viele Aufgaben, die heute der Entwickler übernimmt, wie zum Beispiel die Konfiguration der Einzelsysteme oder die Integration dieser in Systems-of-Systems von den Systemen autonom vorgenommen werden. Dazu wird eine explizite und maschinenlesbare Definition der funktionalen, aber insbesondere der nicht-funktionalen Anforderungen benötigt. Auf Basis dieser Spezifikation werden die zukünftigen Systeme sich an wechselnde Bedingungen anpassen müssen.

Vision

Die Forschungsgruppe Cyber-Physical Systems ist der primäre Forschungspartner für Unternehmen im Bereich komplexer, vernetzter, eingebetteter Systeme. Die Gruppe bietet den Firmen das notwendige Know-How sowohl hinsichtlich entsprechender Entwicklungsprozesse als auch der Softwarearchitekturen.

Mission

Zur Erlangung dieser Ziele kooperiert die Forschungsgruppe eng mit relevanten Industriezweigen in den Bereichen Automotive und Automatisierungs-/Produktionstechnik. Aussagekräftige Demonstratoren zeigen die Möglichkeiten der fortiss-Technologie direkt auf. Mittels von fortiss veröffentlichter Open Source Technologie sind Unternehmen, aber auch Partner aus der Forschung schnell in der Lage eigene Prototypen aufzubauen oder Technologien für die Serienentwicklung zu übernehmen.

Anwendungsbereiche

Zukünftige vernetzte eingebettete Systeme werden nicht mehr einer klaren Domäne zugeordnet werden können, vielmehr werden sie verschiedene Anwendungsdomänen verbinden. Aus diesem Grund ist es notwendig domänenübergreifende modulare Lösungen zu erarbeiten, die einfach zu einem Gesamtsystem kombiniert werden können, dass die notwendigen Anforderungen erfüllt. Die Forschungsgruppe analysiert deshalb Lösungen verschiedenster Domänen auf ihre Eignung für domänenübergreifende Lösungen. Schwerpunkt sind dabei die Bereiche Automotive und Automatisierungs-/Produktionstechnik, jedoch werden auch Anwendungsgebiete wie die Avionik oder Internettechnologien analysiert.

Themengebiete

Die Forschungsgruppe deckt thematisch sowohl den Entwicklungsprozess, als auch die notwendigen Softwarearchitekturen, sowie die domänenspezifische Umsetzung ab. Im Einzelnen werden die folgenden Themen bearbeitet:

  • Modellgetriebene Entwicklung mit Schwerpunk auf nicht-funktionale Eigenschaften: Schwerpunkt in diesem Themenkomplex ist einerseits die Entwicklung von geeigneten Modellen zur Beschreibung von nicht-funktionalen Eigenschaften und der Aufbau einer geeigneten Infrastruktur zur schnellen Entwicklung von domänenspezifischen Werkzeugen.
  • Computergestützte Programmsynthese und -verifikation: Auf Basis formaler Methoden werden Werkzeuge zur automatisierten Generierung von Programmen entwickelt. Des Weiteren werden formale Methoden eingesetzt, um Systeme in Bezug auf die korrekte Umsetzung hinsichtlich bestimmter Eigenschaften wie z.B. Verklemmungsfreiheit, Kollisionsfreiheit, etc. zu analysieren.
  • Softwareinfrastruktur für Cyber-Physical Systems: Innerhalb dieses Themengebietes werden modulare Softwarearchitekturen entwickelt, die einerseits die Unterstützung und Absicherung von nicht-funktionalen Eigenschaften wie Zeitverhalten, Fehlertoleranz, Ressourcenschonung, etc. und andererseits die Unterstützung dynamischen Verhaltens (Plug&Play) ermöglichen.
  • Parallele Architekturen: Mehrkernarchitekturen werden aufgrund des geringeren Stromverbrauchs und der dadurch verbundenen geringeren Hitzeabstrahlung immer stärker in eingebetteten Systemen eingesetzt. Ziel der Forschungsgruppe ist es zu untersuchen, wie Mehrkernarchitekturen für betriebssicherheits-kritische, eingebettete Systeme mit hohen Leistungsanforderungen eingesetzt werden können.
  • Virtuelle Entwicklung und Robotik: In diesem Themenkomplex wird untersucht,  wie Simulationstechniken für die Entwicklung hochkomplexer, eingebetteter Systeme eingesetzt werden können. Des Weiteren wird erforscht, wie Firmen immer flexiblere Produktionssysteme aufbauen können.
  • Fahrzeugarchitekturen und Fahrerassistenzfunktionen: Das Themengebiet Automotive dient als ein Anwendungsgebiet der in der Forschungsgruppe entwickelten Technologien. Themenschwerpunkte sind Steuergerätarchitekturen, sowie Fahrerassistenzsysteme bis hin zum autonomen Fahren.

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