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Software Innovation
Campus Paderborn
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Cyber Physical Systems

Direktor   Prof. Dr. Falko Dressler
Manager  Dr. Bernd Kleinjohann

1. Motivation

Der Begriff Cyber Physical Systems (CPS) steht für heterogene, vernetzte eingebettete IT-Systeme und darauf basierende Dienste, die Daten mittels Sensorik aus der physikalischen Welt erfassen und die durch Aktoren direkt auf Vorgänge in der physikalischen Welt einwirken können. Cyber Physical Devices (CPD) bilden die Schnittstelle eines CPS und damit des Cyberspace zur realen Welt. Sie interagieren auf der einen Seite (Cyberspace) mit weiteren Infrastrukturelementen und CPDs in einem CPS und auf der anderen Seite (reale Welt) mit dem Menschen und Elementen ihrer physikalischen Umgebung. Bei CPDs handelt es sich meist um softwareintensive, vernetzte eingebettete Systeme, die oft Echtzeitanforderungen unterliegen und welche spezielle Sicherheitseigenschaften (im Sinne von sowohl Security als auch von Safety) aufweisen.

2. Anwendungsfelder

Cyber Physical Systems besitzen ein vielfältiges Anwendungs-, Entwicklungs- und Nutzungspotenzial. Typische Anwendungsbereiche (Domänen) finden sich in der Industrieautomatisierung (Cyber Physical Production Systems, CPPS), dem Gesundheitssystem (eHealth), der Mobilität vom Fahrrad über Autos bis hin zu Flugzeugen (Car2X, Connected Cars, Automated Driving) und im alltäglichen Umfeld (Smart Home). Viele dieser Anwendungen werden unter dem Stichwort Internet of Things (IoT) zusammengefasst. Auch die Bearbeitung von Problemstellungen, wie sie in modernen Städten und Ballungsräumen auftreten (Smart City, Smart Grid), können mit CPS-Techniken unterstützt werden. Aktuell werden die folgenden Anwendungsfelder bearbeitet.

Industrieautomatisierung

Cyber Physical Production Systems sind ein etabliertes Anwendungsfeld für CPS.  Hier stellen sich eine Reihe von Herausforderungen. Produktionssysteme sollen autonom und flexibel gestalten werden, so dass sie auch auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren können. Die Produktion von Einzelanfertigungen (Losgröße eins) soll unterstützt werden. Es sollen sowohl existierende Produktionsanlagen als auch neue Anlagen hinsichtlich unterschiedlicher Gesichtspunkte wie beispielsweise dem Ressourcenverbrauch optimiert werden. Zur Flexibilisierung der Produktion soll die Integration und Vernetzung der Maschinen möglichst nach einem Plug-and-Play-Ansatz erfolgen sollte. Es werden Fragestellungen der intelligenten Vernetzung und Selbstkonfiguration von Produktionssystemen sowie zur Fehlertoleranz beim Entwurf von Motion-Control-Systemen, wie sie in der Produktion, z. B. zur Steuerung von Fertigungsrobotern, eingesetzt werden, bearbeitet.

Projekte

Mobilität

Die Automobil- und Verkehrstechnik spielt  technologisch eine führende Rolle  im Bereich der Cyber Physical Systems. Innerhalb von Fahrzeugen ist der Einsatz von elektronischen Steuerungen in den letzten Jahren enorm angestiegen, die miteinander kommunizieren und interagieren müssen.  Viele Servicefunktionen  sind ohne vernetzte Elektronik nicht denkbar. Hinzu kommt  eine zunehmende Vernetzung der Fahrzeuge untereinander und mit ihrer Umwelt (Car2X, Connected Cars), insbesondere der Verkehrsinfrastruktur. In diesem Themenfeld wird der modellbasierte Entwurf von Multi- und Many-Core-Steuerungen sowie die Vernetzung von Fahrzeugen mit anderen Verkehrsteilnehmern, der Infrastruktur und mit der Cloud untersucht.

Projekte

Öffentliche Organisation und Versorgung - Smart Regions

Ein weiteres Anwendungsgebiet für Cyber Physical Systems ergibt sich im Bereich der öffentlichen Infrastrukturen. Auf der Grundlage der IKT und ihrer gewinnbringenden Nutzung durch alle Beteiligten soll so die Leistungsfähigkeit von Städten und ganzen Regionen oder Ballungsräumen hinsichtlich unterschiedlicher Aspekte wie Energie, Verkehr oder Sicherheit verbessert werden. Neben der Mobilität (werden in diesem Anwendungsfeld aktuell Themen der zivilen Sicherheit zur Einbeziehung der Bevölkerung und ihrer (technischen) Ressourcen im Vorfeld und bei der Bewältigung von Krisen und Katastrophen bearbeitet. Ein Schwerpunkt ist hier die Erfassung von aktuellen Lageinformationen mittels mobiler Endgeräte (Smartphones, Tablets, etc.) und Crowd Sourcing Mechanismen sowie die Informationsauswertung und ihre Aufbereitung in einem Geoinformationssystem.

Projekte

Internet of Things (IoT)

Die Integration von (fast) beliebigen Gegenständen in die Informationsverarbeitung wurde bereits um 1999 von Kevin Ashton mit dem Begriff „Internet of Things“ bezeichnet. Im Internet of Things (IoT) werden physikalische Geräte aus verschiedenen Anwendungsbereichen mit Sensoren, Aktoren, Netzwerkkonnektivität und eingebetteter Software ausgestattet und dadurch in die Lage versetzt, Daten zu sammeln und auszutauschen, um fortschrittliche Dienste anzubieten. Neben Fahrzeugen oder Maschinen, wie sie in den Bereichen Mobilität und Industrieautomatisierung schon erwähnt wurden, werden beispielsweise auch Gebäude-(teile), Haushaltsgeräte,  Wearables wie Fitness Tracker oder AR-Brillen und medizinische Geräte z. B. zur Ferndiagnose oder zur Überwachung von Vitalfunktionen im Internet of Things vernetzt. Es ist zu beobachten, dass die Cyber Physical Devices mit immer mehr Autonomie ausgestattet werden. Beispiele hierfür sind Haushaltsroboter oder Assistenzroboter, die Hilfestellungen geben, um möglichst lange ein selbständiges Leben führen zu können. In diesem Anwendungsfeld befassen wir uns mit der Kommunikation und Selbst-Organisation dieser Systeme, mit der Wahrnehmung der Umwelt durch unterschiedliche vernetzte Sensoren und der Auswertung dieser Daten, sowie mit der autonomen Navigation von mobilen Systemen.

3. Technologien und Methoden

Unsere aktuellen Forschungsthemen befassen sich mit dem methodischen Entwurf von CPS, ihrer prototypischen Realisierung sowie der Anwendung von CPS im Allgemeinen. 

Schwerpunkte im Forschungsbereich sind die Folgenden:

  • Drahtloskommunikation und Sensornetzwerke 
  • Eingebettete Systeme und die Schnittstelle zur physikalischen Welt 
  • Echtzeitgarantien
  • Simulation (Leistungsbewertung, Angriffs- und Funktionssicherheit,
    Hardware-in-the-Loop)
     
  • Adaption und Context Awareness von CPS 
  • Selbstorganisation und Self-X-Eigenschaften
  • Miniaturisierung und neue Anwendungsgebiete

4. Cyber Physical Systems Team

  • FG Verteilte eingebettete Systeme Prof. Dr. Falko Dressler
  • FG Nachrichtentechnik Prof. Dr.-Ing. Reinhold Häb-Umbach
  • FG Datentechnik Prof. Dr. Sybille Hellebrand
  • FG Intelligente Systeme Prof. Dr. EykeHüllermeier
  • FG Rechnernetze Prof. Dr. Holger Karl
  • FG Algorithmen und Komplexität Prof. Dr. Friedhelm Meyer auf der Heide
  • FG Computer Engineering Prof. Dr. Marco Platzner
  • FG Hochleistungs-IT-Systeme & PC2 Prof. Dr. Christian Plessl
  • FG Spezifikation & Modellierung von Softwaresystemen
    Prof. Dr. Heike Wehrheim
Ihre Ansprechpartner

Fragen, Anregungen oder Interesse? Wir freuen uns über Ihre Nachricht.

Director

Prof. Dr. Falko Dressler

Universität Paderborn

Verteilte Eingebettete Systeme

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Manager

Dr. Bernd Kleinjohann

Telefon
+49 (0)5251 60-6101

E-Mail
bernd(at)c-lab(dot)de