Cyber Physical Systems an den Schnittstellen

Digitale Transformation: Zwischen Entwickler und Ingenieur

Volker Gruhn

©iStockphoto.com/Inok

Die digitale Transformation von Unternehmen sorgt dafür, dass Entwickler nicht nur die Anwendung selbst und ihre Anwendung verstehen müssen, sondern auch ihre Partner auf der Hardwareseite: die Ingenieure. Dabei hilft es genau zu verstehen, wie ihre Welt der Cyber Physical Systems funktioniert.

Die digitale Transformation verändert einzelne Unternehmen und die gesamte Wirtschaft auf vielen Ebenen. Scheinbar über Nacht entstehen neue Plattformen, die Anbieter und Nachfrager unkompliziert miteinander verbinden. Einfache Wischbewegungen ersetzen komplexe Eingaben, Anwender können bisher ortsgebundene Prozesse plötzlich überall nutzen. Deutlich zeigt sich die Wucht der aktuellen Entwicklung auch beim Blick auf die Vernetzung von physischen Gegenständen. Denn jede Maschine, jedes Haushaltsgerät, jeder Pkw, der mit dem Internet verbunden ist, ist mehr als nur ein Gegenstand mit einer IP-Adresse. Für jeden dieser physischen Gegenstände ergeben sich neue Möglichkeiten, sind neue Prozesse denkbar, sind neue Geschäftsmodelle möglich. Das Digitale ist gerade dabei, das Reale mit einer Schicht zu überziehen. Die Daten, die hier fließen, und die Informationen, die Unternehmen hier gewinnen, sind der Rohstoff, auf dem die Wirtschaft in Zukunft basiert.

Damit einher geht ein Umdenken beim Umgang mit Informationssystemen. Bislang besteht in vielen Unternehmen ein Bruch zwischen den Abläufen in der realen Welt und ihrer digitalen Übersetzung in ein Informationssystem. Denn diese Systeme sind eben Modelle mit all den notwendigen Abstraktionen und Einschränkungen. Diesen Bruch müssen Unternehmen durch aufwendige und fehleranfällige Mensch-Maschine-Schnittstellen überbrücken. Den Umweg über die Modellbildung müssen die Experten in Zukunft nicht mehr gehen. Sie integrieren physische Gegenstände und Abläufe unmittelbar in digitale Prozesse, der flächendeckenden Vernetzung sei Dank. Güter und Geräte, ausgestattet mit einer eigenen digitalen Identität, Sensorik oder Steuerungseinheit, melden ihren Zustand permanent oder auf Anfrage in Echtzeit an das System. Die Grenzen zwischen Atomen und Bytes werden immer fließender. Unternehmen stehen so immer flexiblere und intelligentere Systeme zur Verfügung und Systeme, die immer bessere Datenanalysewerkzeuge erfordern, um ihr ganzes Potenzial zu entfalten.

In diesem Umfeld kommen die so genannten Cyber Physical Systems (CPS) ins Spiel. CPS schließen die Lücke zwischen den Welten, indem sie physische Gegenstände und Abläufe unmittelbar in digitale Prozesse integrieren. Dies steigert die Effizienz existierender Prozesse sowie die Genauigkeit und Aktualität der darin verarbeiteten Daten, denn Unternehmen müssen eben keinen Umweg mehr über Modelle gehen. Dies eröffnet aber auch ganz neue Möglichkeiten, die physische Welt mit digitalen Augen zu sehen und so neue Mechanismen zu erschließen. Das heißt, Optimierungspotenziale zu finden oder Muster in komplexen Abläufen zu erkennen. Das sind typische Szenarien, in denen CPS ihre Stärke ausspielen.

Dabei ist der Aufbau von CPS nicht nur ein hardwaretechnisches Thema, sondern auch eine Herausforderung für die Softwareentwickler. Unternehmen haben es mit softwareintensiven Systemen zu tun, deren Architektur und Funktionalität deutlich komplexer und stärker mit den Anwendungsdomänen verwoben ist als die klassischer Softwaresysteme. Wer CPS entwickeln will, muss verstehen, wie die eigene Branche tickt – noch mehr als bei der Entwicklung klassischer Informationssysteme. Und er muss die Zusammenarbeit mit Ingenieuren koordinieren, denen bei der Entwicklung von CPS eine besondere Rolle zukommt.

Um diese Herausforderungen besser zu verstehen, ist es notwendig, CPS in den gesamten Kontext der Digitalen Transformation einzuordnen und ihre Besonderheiten im Vergleich zu ähnlichen Konzepten zu verstehen. Wer diese Zusammenhänge begreift, dem wird es leichter fallen, die Eigenarten dieser Systeme zu erkennen.

Abb. 1: Cyber Physical Systems verändern den Umgang mit Informationssystemen

Abb. 1: Cyber Physical Systems verändern den Umgang mit Informationssystemen

CPS und seine nächsten Verwandten

In einem Punkt unterscheidet sich die digitale Transformation kaum von all den anderen Megatrends. Sie bringt in ihrem Schlepptau viele Konzepte, Ansätze und Technologien mit. Für die Beteiligten ist es schwierig, diese nicht immer trennscharfen Begriffe in Diskussionen auseinanderzuhalten. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, im ersten Schritt das Gelände um die CPS herum genau zu sondieren.

CPS sind eher als Oberbegriff für die Kombination von Technologien zu verstehen, welche die engere Kopplung von physischer und digitaler Welt ermöglichen, und weniger als eine neue Technologieklasse. Einerseits haben CPS Wurzeln in der jeweiligen Anwendungsdomäne, beispielsweise mit Sensoren und Aktoren, andererseits auch in der Informations- und Kommunikationstechnik, hier mit Themen wie Softwarekomponenten oder Kommunikationsprotokollen. Wenn die Diskussion auf CPS kommt, verwenden Fachleute regelmäßig auch weitere Begriffe wie das Internet der Dinge, das Internet der Dienste und das Internet der Daten.

Internet der Dinge ist das Rückgrat von CPS

Wenn Experten über das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) sprechen, meinen sie damit per Chip eindeutig identifizierbare physische Gegenstände oder in Haushaltsgeräten, Industrieanlagen oder in der Umgebung verbaute Sensoren, Prozessoren und Aktoren. Diese Gegenstände liefern ihre Werte per Internet of Services oder stellen ihre Funktion über solch einen Dienst zur Verfügung. Mit CPS verbindet das Internet der Dinge das gemeinsame Ziel, die Kluft zwischen digitaler und physischer Welt zu überbrücken. Das IoT ist das technische Rückgrat von Cyber Physical Systems.

Abb. 2: Das Internet of Things erlaubt die Vernetzung gänzlich unterschiedlicher Quellen

Abb. 2: Das Internet of Things erlaubt die Vernetzung gänzlich unterschiedlicher Quellen

Internet der Dienste bietet Spezialisierung

Hinter dem Begriff Internet der Dienste (Internet of Services, IoS) verbirgt sich die Vision eines Ökosystems von Softwarekomponenten, so genannten Services oder digitalen Diensten, die auf klar abgegrenzte Funktionen spezialisiert sind. Ein Beispiel für so einen Service ist die automatisierte Adressprüfung in Customer-Relationship-Management-Datenbanken. Der große Vorteil dieses Ansatzes ist, dass sich einzelne Services auch ohne tiefes IT-Know-how kombinieren lassen und so auch komplexe Funktionen innerhalb eines IT-Systems übernehmen können. Mithilfe von IoS gelingt es IT-Abteilungen, einige ihrer schwerfälligen, monolithischen Altsysteme aufzubrechen und in flexiblere Softwareeinheiten aufzuspalten. IT-Experten oder Anwender können, dank einer so gestalteten Systemlandschaft, Komponenten schnell austauschen oder neu arrangieren, wenn geänderte Umweltbedingungen dies erfordern. IoS sind aus diesem Grund einer der Wegbereiter von Cyber Physical Systems. Denn ohne die flexible Grundlage, wie das Internet der Dienste es bietet, sind CPS mit ihrem hohen Grad an Autonomie kaum zu realisieren. Das Gleiche gilt für CPS, die mit Diensten oder Prozessen Dritter, wie Partner, Lieferanten, Kunden oder staatlichen Institutionen, zusammenarbeiten sollen. Auch dieser Vorteil der unternehmensübergreifenden Kooperation, den die offenen CPS praktisch von Natur aus mit sich bringen, lässt sich auf Basis des Internet of Services einfacher realisieren.

Die Datenflut bildet das Internet der Daten

Neben den Dingen und Services haben natürlich auch die Daten eine zentrale Funktion: Hier kommt das Internet der Daten (Internet of Content, IoC) ins Spiel. Gemeint sind Daten aus unterschiedlichen Quellen, auf die Unternehmen mithilfe von Serviceinfrastrukturen (IoS) zugreifen können und die sie so miteinander verknüpfen können. In der unternehmerischen Praxis sind dies Sensordatenströme oder Informationen über das Besuchsverhalten auf der Website, aber auch typische Daten wie Korrespondenzen, Berichte oder Protokolle. Ein wichtiger Posten in diesem Zusammenhang ist der so genannte User Generated Content: Das sind Inhalte, die insbesondere Nutzer sozialer Netzwerke schaffen. Dazu gehören Multimediadaten ebenso wie Videos oder Bilddateien. Diesen Datenquellen ist mit klassischen Abfragemechanismen kaum beizukommen. Zu groß sind die schieren Datenmengen, zu unstrukturiert sind die Inhalte. Hier müssen die Experten in größeren Maßstäben denken, Stichwort: Big Data.

Den Begriffen „Internet der Services“, „Internet der Dinge“ und „Internet der Daten“ ist gemein, dass sie im Gegensatz zum „klassischen Internet“ mit E-Mail, Web oder VoIP keine konkret existente Infrastruktur, ja nicht einmal einen konkret definierten Technologiestack beschreiben. Eigentlich dienen sie eher als unscharfe Sammelbegriffe für Anwendungsvisionen. So ist „Cyber Physical Systems“ der treffendere Oberbegriff für die Klasse der Systeme, die eine Brücke zwischen digitaler und physischer Welt schlagen.

Aber was macht CPS zu so etwas besonderem? Warum schicken sie sich gerade jetzt an, bei so vielen Unternehmen an so vielen Stellen Prozesse zu verändern? Ganze Branchen umzugestalten? Denn, dass Sensoren in Geräten ihren Dienst verrichten und Zustandsinformationen sammeln, um sie weiterzuleiten, ist keine technische Sensation. Über ihre Brückenfunktion zwischen digitaler und physischer Welt hinaus kommen bei Cyber Physical Systems eine ganze Reihe an Charakteristika zusammen, die die Entwicklung beschleunigen und die Auswirkungen potenzieren. Und die so auch ihre Entwicklung zu einer besonderen Herausforderung machen. Das erste Charakteristikum können Interessierte im wahrsten Sinne des Worts an jeder Straßenecke sehen.

CPS und die Mobilität

Experten und Medien gebrauchen Begriffe wie „Megatrend“ oder „Game Changer“ inflationär, aber auf einen Trend treffen solche Aussagen mit all ihren Konsequenzen zu: Mobilität. Am Beispiel der Mobilität zeigt sich deutlich, wie neue Technologien innerhalb von kurzer Zeit die gesamte Gesellschaft erobern und Geschäftsprozesse fundamental verändern. Oder wer kann sich wirklich noch vorstellen, nur im Ladenlokal und nur während der Öffnungszeiten einzukaufen?

Von softwaretechnischer Warte aus bedeutet Mobilität, dass Nutzer Systemkomponenten und Anwendungen nicht länger nur an vordefinierten Orten einsetzen, an denen eine bekannte Netzinfrastruktur zur Verfügung steht. Für Softwareentwickler ist es besonders dann interessant, wenn erfasste Bewegungs- oder Positionsinformationen für die Ausführung des Programms relevant sind. Das gilt klassischerweise für Navigationsanwendungen oder Apps, die Laufaktivitäten tracken. Auch die Bewegung relativ zu den Knotenpunkten eines Funknetzes – und dem damit verbundenen „Handover“ zwischen Funkzellen sowie Schwankungen von Verfügbarkeit und Verbindungsqualität ist ein Thema, dass Entwickler berücksichtigen müssen.

Mobilität kann aus fachlicher Sicht massiven Einfluss auf Geschäftsprozesse haben. Ein Außendienstmitarbeiter, der direkt vor Ort beim Kunden in Echtzeit Zugriff auf Bestellmöglichkeiten und Liefertermine hat, kann anders verhandeln. Dabei spielen technische Eigenschaften mobiler Lösungen eine zentrale Rolle für die Adaption neuer, ortsungebundener Geschäftsprozesse. So stellen mobile Endgeräte alleine aufgrund ihrer Größe und Eingabemodalitäten wie Multitouch-Displays oder Spracherkennung völlig andere Usability-Anforderungen an Benutzerschnittstellen als klassische Desktopgeräte.

Entwickler sind dazu aufgefordert, intuitive und effektive Benutzeroberflächen zu designen, die auch unter nicht optimalen Umgebungsverhältnissen funktionieren. Denn Anwender nutzen mobile Anwendungen nicht nur am gut ausgeleuchteten Schreibtisch, sondern auch in der ruckelnden U-Bahn.

Mobilität und Cyber Physical Systems sind untrennbar miteinander verbunden. Nahezu alle CPS haben mobile Teilkomponenten. Das können bewegliche Transportsysteme in der Logistik oder mobile Apps zur Steuerung des häuslichen Energieverbrauchs im Smart Grid sein. Für diese gelten die oben beschriebenen Anforderungen. Die Schnittstellen zwischen Realem und Digitalem, an denen CPS aktiv sind, stellen besondere Anforderungen an Effektivität, Sicherheit und Verlässlichkeit aller Komponenten, denn einen „Undo-Button“ für die Realität gibt es nicht. Mögliche Fehler schlagen direkt durch in die physische Welt, wo sie möglicherweise irreversibel sind.

Abb. 3: Diese vier Eigenschaften zeichnen Cyber Physical Systems aus

Abb. 3: Diese vier Eigenschaften zeichnen Cyber Physical Systems aus

CPS und Flexibilität

Bisher dominierten in Softwaresystemen bekannte, fest verdrahtete Komponenten. Entwickler kennen die Systemlandschaft, in die diese Komponenten eingebettet sind, und die Prozesslandschaft, die sie unterstützen sollen. Die Systeme arbeiten in einem relativ statischen Umfeld. Wenn Unternehmen etwas ändern oder anpassen wollen, müssen die Entwickler Hand anlegen. Angesichts der hohen Veränderungsgeschwindigkeit von Prozesskonstellationen und -teilnehmern in der Geschäftswelt erweisen sich solche Architekturen heute aber zunehmend als zu starr.

Offene Architekturen hingegen bieten die notwendige Flexibilität. Bei ihnen entsteht die Systemfunktionalität aus dem Zusammenspiel unabhängiger Komponenten und Dienste mit definierten Schnittstellen und Aufgabenbereichen. Jetzt kommen die CPS ins Spiel. Sie bringen die Fähigkeit mit, in solchen fließenden Prozessen zu agieren und mit austauschbaren Komponenten und Drittdiensten zusammenarbeiten zu können. Mit ihrer Hilfe können Unternehmen Komponenten skalieren. Anwender können aber auch ohne großen Aufwand einzelne Prozessabschnitte auslagern, beispielsweise an einen Dienstleister, oder auch Komponenten austauschen. Das kann zum Beispiel der Wechsel eines Dienstleisters sein.

Der Effizienzvorteil gegenüber einem monolithischen System liegt darin, dass diese Flexibilitätsanforderung bereits von Grund auf in der Architektur und den Schnittstellen des Systems berücksichtigt sind. Entwickler können Änderungsanforderungen über dafür vorgesehene Mechanismen bedienen, ohne gleich tiefgreifende Änderungen am System vornehmen zu müssen.

Für die Entwicklung von Cyper Physical Systems, die viel enger mit der realen Welt verzahnt sind als klassische Softwaresysteme, ist diese Flexibilität unabdingbar. Nur so können sie Veränderungen in den Abläufen der physischen Welt ohne langwierigen und teuren Anpassungsaufwand abbilden.

CPS und die Selbstständigkeit

Aber selbst die Flexibilität der Cyber Physical Systems reicht nicht aus, um mit den Anforderungen der realen Welt Schritt halten zu können. Denn auch ein flexibel adaptierbares System benötigt in der Regel noch Eingriffe von Entwickler oder Anwender, um an neue Bedingungen angepasst zu werden.

Hier zeigt sich die Stärke von CPS als autonomes oder teilautonomes System. Sie nutzen automatische Anpassungsmechanismen, die keine oder kaum noch manuelle Entwicklerentscheidungen und -eingriffe mehr erfordern. Am Ende entstehen so Systeme, welche die Notwendigkeit von Veränderungen nicht nur automatisch erkennen, sondern auch umsetzen. Das kann zum Beispiel das Einbinden oder Ausschließen von Komponenten oder der Wechsel von Dienstleistern sein.

Entwickler müssen diese Fähigkeit in ihre CPS integrieren, denn ähnlich wie die Flexibilität ist auch die Autonomie eine der Grundvoraussetzungen, um die Gegebenheiten der physischen Welt adäquat verarbeiten zu können. Diese Gegebenheiten ändern sich unter Umständen schneller und häufiger, als menschliche Betreiber erfassen und umsetzen können.

Für Entwickler ist das wahrlich keine einfache Aufgabe. Das automatische Erkennen von Adaptionsnotwendigkeiten, das Entwickeln von dazu passenden Strategien, und die möglichst transparente, minimal-disruptive Ausführung dieser Adaptionen erfordert, dass ein teilautonomes System ein umfassendes Verständnis seiner selbst und seiner Umgebung haben muss. Deshalb ist der Kontext eines CPS für seine Entwicklung so bedeutend.

CPS und die Kontextsensitivität

Entwickler müssen zwei Herausforderungen meistern, wenn sie Cyber Physical Systems in ihrer Umwelt implementieren wollen. Einerseits muss das System seinen Systemkontext erfassen, andererseits daraus Entscheidungen ableiten.

Der Systemkontext kann dabei ein rein technisches Umfeld sein, welches das CPS durch geeignete Sensorik versteht. So lassen sich nahezu für alle physischen Kennwerte, die für eine Komponente oder für einen Prozessschritt relevant sein könnten, passende Sensoren finden. Das fängt bei der Temperatur an und hört bei der Atmosphärenzusammensetzung oder den Vitaldaten einer Person nicht auf. Häufig müssen CPS dabei nicht nur auf einzelne Sensoren reagieren, sondern auf Messungen, die eine große Zahl von Sensoren über so genannte Sensornetze sammeln. Diese Daten müssen sie akkumulieren und daraus Kennzahlen ableiten. Ein typisches Beispiel ist die Messung von Verkehrsdichte und -fluss auf Basis der Bewegungsdaten vieler Fahrzeuge.

Unternehmen setzen CPS aber nicht nur in Situationen ein, in denen physischen Messwerten die entscheidende Rolle zufällt. Häufig definieren fachliche Parameter wie der Preis einer Ware oder eines Diensts, die Bearbeitungsgeschwindigkeit eines Prozesses oder die Bedeutung eines Kunden den Kontext. Auch in diesem nicht physischen Umfeld muss sich das CPS bewegen, Entscheidungen treffen und umsetzen. Hier setzen Entwickler so genannte virtuelle Sensoren ein. Das sind beispielsweise Monitoringalgorithmen, die Entwickler als Querschnittsaspekte in viele Fachkomponenten integrieren.

Ob physisch oder nicht physisch: Die Experten müssen ein präzises, sehr fein ausgearbeitetes Regelwerk aufbauen, das die Grundlage für die Dateninterpretation und für die darauf aufbauende automatische Entscheidung über Adaptionsstrategien bildet. Die Kunst besteht darin, Kontextinformationen einzuordnen und mit passenden Adaptionsansätzen zu verknüpfen. Diesen Verknüpfungen sind in der unternehmerischen Praxis keine Grenzen gesetzt. Für das CPS kann es die automatische Zuschaltung von Kapazitäten bei steigender Antwortzeit bedeuten, aber auch die Auswahl des günstigsten Diensts für eine Aufgabe oder das Umschalten von Echtzeit- auf gepufferte Datenverarbeitung beim Ausfall einer Netzverbindung.

Die mit dem Aufbau des CPS-Beauftragten müssen die entsprechenden Regeln sorgfältig formulieren, kalibrieren und testen. Nur so können sie sicherstellen, dass sich das System auch bei eigenständiger Anpassung immer zielführend und innerhalb erlaubter Grenzen verhält und keine unerwünschten Zustände eintreten.

Wer CPS sagt, muss Branche denken

Mobil, flexibel, autonom, tief verwurzelt in der realen Welt: CPS sind softwareintensive Systeme, deren Architektur und Funktionalität deutlich komplexer und noch stärker mit den Anwendungsdomänen verwoben ist, als dies bei klassischen Softwaresystemen der Fall ist. Sie bringen also einige Eigenschaften mit, die Fachleute in dieser Kombination und Konsequenz in der Softwareentwicklung bisher nicht berücksichtigen mussten.

Dies hat unmittelbare Auswirkungen auf den Entwicklungsprozess von CPS. Zu verstehen, wie Branche und Unternehmen funktionieren, ist schon für Entwickler klassischer Informationssysteme kritisch für den Projekterfolg. Bei CPS nimmt dies einen noch bedeutenderen Stellenwert ein, schließlich reicht die reale Welt unmittelbar in das System hinein und ist untrennbar mit ihm verbunden.

Damit einher geht eine veränderte Rollenverteilung im Softwareentwicklungsprozess. Während bisher die Fachanwender häufig auf die Rolle des Auftraggebers für die IT-Seite beschränkt waren und daher von den Entwicklern nur sporadisch in Entwicklungs- und Entscheidungsprozesse eingebunden wurden, erfordert die Entwicklung von CPS eine kontinuierliche Zusammenarbeit mit den Fach- und Technologieexperten. Hier treffen nicht mehr Auftraggeber und -nehmer aufeinander, hier arbeitet ein gleichberechtigtes Entwicklungsteam zusammen.

Die Verantwortung für den Erfolg lastet aber nicht auf Schultern der Softwareexperten und -anwender. Zu dem Team gehören bei Cyber Physical Systems typischerweise auch Ingenieure, die die physischen Komponenten entwickeln. Ingenieur, Softwareentwickler und Anwender – wie gut dieser Expertendreiklang zusammenarbeitet, ist entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung von Cyber Physical Systems. Denn genau hier treffen IT-Wissen, Branchenkenntnisse und Ingenieurs-Know-how aufeinander, hier kommen reale und digitale Welt zusammen.

Die Bedeutung dieses organisatorischen Aspekts sollten die Entscheider in Unternehmen nicht unterschätzen, wenn sie über den Aufbau von CPS nachdenken. Es gilt, mit geeigneten Instrumenten und passender Projektorganisation ein Umfeld zu schaffen, in dem alle Beteiligten, ungeachtet von Fach-Know-how und Abteilungsherkunft, gemeinsam neue Systeme entwickeln können.

Ein Projektwerkzeug, das in diesem Kontext seine Stärken ausspielt, ist der Interaction Room (IR). Er unterstützt Experten ganz unterschiedlicher Fachrichtungen, beispielsweise das beschriebene CPS-Team, dabei, gemeinsam Informationen zu erfassen, Prozesse zu modellieren und so Systeme zu realisieren.

In der Praxis hat sich der Einsatz des Interaction Room für interdisziplinäre Projekte etabliert. Beim IR handelt es sich um einen echten, begehbaren Raum mit vier Wänden. Diese Wände, „Landkarten“ genannt, dienen zur Visualisierung von Prozessen und zur Darstellung von Projektdetails. Im Interaction Room arbeitet ein interdisziplinäres Team aus Fach- und IT-Experten unter der Anleitung eines Moderators zusammen. Gemeinsam ermitteln sie in Abstimmungsrunden Lösungen für die zentralen Themen und Fragestellungen des CPS-Projekts.

Softwareentwicklung zwischen Tradition und Agilität

Wer die softwaretechnischen Grundlagen für Cyber Physical Systems schaffen will, dem muss ein Spagat zwischen scheinbar unüberbrückbaren Entwicklungskonzepten gelingen. Denn sowohl agile Konzepte als auch eher traditionelle Ansätze haben ihre Berechtigung im CPS-Umfeld.

So sind die hohen Anforderungen an die Abstimmung zwischen Fach- und Technologieseite ein Indiz, das für die Wahl eines agilen Prozessmodells spricht. Denn nur die intensive Kommunikation zwischen beiden Seiten führt zu frühen Prototypen und schnellen, passgenauen Lösungen. Die Abstimmung und die frühe Verfügbarkeit von Prototypen sind von großer Bedeutung für die Entwicklung von CPS: Nur so können die Projektbeteiligten das Zusammenspiel aller Komponenten testen, das Verhalten unter außergewöhnlichen Bedingungen prüfen und die Automatismen in teilautonomen Systemen kalibrieren.

Dies geschieht aber häufig auf Kosten detaillierter Modelle und Spezifikationen. Das sind Themen, die bei der agilen Entwicklung eher in den Hintergrund treten. Aber auch die präzise Modellierung des Verhaltens einzelner Komponenten, das heißt vor allem derjenigen, die die Schnittstelle zwischen physischer und digitaler Welt darstellen, spielt eine entscheidende Rolle bei der CPS-Entwicklung. Das Gleiche gilt auch für die Rahmenbedingungen und Entscheidungsmechanismen, beispielsweise die Regelwerke, auf denen die teilautonomen Systeme basieren. Für diese Aspekte empfiehlt sich weiterhin eine detaillierte, gegebenenfalls formal verifizierbare Spezifikation, um die Sicherheit und Verlässlichkeit des Gesamtsystems zu gewährleisten – die Stärke klassischer Softwareentwicklung.

Die Herausforderung ist hier die Verknüpfung beider Entwicklungsansätze. Nur so können die Projektverantwortlichen sowohl das nötige Gesamt- als auch das Detailverständnis erreichen, nur so können sie frühzeitig Prototypen entwickeln und unter realen Bedingungen testen.

In Cyber Physical Systems wachsen bisher voneinander getrennte Systeme und Welten in ganz neuer Art und Weise zusammen. Die Systeme, die hier entstehen, sind strukturell so neuartig und komplex, dass die bisherigen Engineering-Methoden nicht ausreichen. Entwickelt werden sie von interdisziplinären Teams, in denen Branchenkenntnisse und IT-Know-how genauso wichtig sind wie Ingenieurswissen. Diese Teams müssen sich finden und verstehen.

Wer CPS entwickelt, betritt also auf vielen Gebieten Neuland. Aber es gibt viel zu gewinnen: Von den intelligenten, dezentralen Einrichtungen im Produktionsprozess bis hin zur zentralen Steuerung des gesamten Geschäftsprozesses bieten CPS noch ungeahnte Möglichkeiten. Diese komplexen Systeme, deren Grundlagen Unternehmen heute schaffen, entscheiden in Zukunft über den Erfolg von Geschäftsmodellen.

Geschrieben von
Volker Gruhn
Volker Gruhn
Prof. Dr. Volker Gruhn gründete 1997 die adesso AG mit und ist heute Vorsitzender des Aufsichtsrats. Er ist Inhaber des Lehrstuhls für Software Engineering an der Universität Duisburg-Essen. Sein Forschungsschwerpunkt in diesem Bereich bezieht sich auf mobile Anwendungen. Prof. Dr. Gruhn ist Autor und Coautor von rund 200 nationalen und internationalen Veröffentlichungen und Konferenzbeiträgen.
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