Was sind cyber-physische Systeme? Cyber-physische Systeme (CPS) sind die technologische Grundlage, die es ermöglicht, die physische Welt mit der virtuellen Welt der Informationstechnik nahtlos zu verbinden.

Kurzfassung

In der Ära der Digitalisierung und der vierten industriellen Revolution, bekannt als Industrie 4.0, spielen cyber-physische Systeme (CPS) eine absolut zentrale Rolle. Sie sind die technologische Grundlage, die es ermöglicht, die physische Welt mit der virtuellen Welt der Informationstechnik nahtlos zu verbinden. Doch was genau verbirgt sich hinter diesem Begriff, und welche Potenziale eröffnen diese komplexen Systeme für die Zukunft der Industrie und darüber hinaus?

CPS: eine Definition

Cyber-physische Systeme, oft abgekürzt als CPS, sind intelligente Systeme, die mechanische und elektronische Komponenten mit moderner Informationstechnik und Software verbinden. Diese Systeme sind in der Lage, Daten aus der physischen Welt zu erfassen, sie digital zu verarbeiten, zu analysieren und auf Basis dieser Informationen wiederum physische Prozesse zu steuern oder zu beeinflussen.

Es handelt sich um eingebettete Systeme, die über Sensoren Informationen sammeln und über Aktoren in die physische Welt eingreifen. Die Fähigkeit zur Selbstorganisation und zur Anpassung an veränderte Bedingungen macht fortgeschrittene cyber-physische Systeme zu einem entscheidenden Faktor für die Entwicklung komplexer Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen.

Holografische Darstellung der Daten einer Fabrikanlage mit Roboterarmen im Hintergrund

Die Verbindung von digitaler und physischer Welt

Die Integration cyber-physischer Systeme ist das Herzstück ihrer Funktionsweise. Sie überwinden die traditionelle Trennung zwischen der digitalen und der physischen Welt, indem sie einen kontinuierlichen Informations- und Steuerungsfluss ermöglichen. Sensoren erfassen physikalische Größen wie Temperatur, Druck oder Position und wandeln diese in digitale Daten um. Diese Daten werden über drahtlose oder kabelgebundene Netzwerke an zentrale oder dezentrale Recheneinheiten übermittelt.

Dort erfolgen die Verarbeitung und Analyse der Informationen, oft unter Einsatz von künstlicher Intelligenz. Um über Aktoren (z. B. Motoren, Ventile) direkt in den physikalischen Prozess einzugreifen, werden dann die gewonnenen Erkenntnisse genutzt.

CPS vs. IoT: Worin liegt der Unterschied?

Cyber-physische Systeme (CPS): CPS gehen über die reine Vernetzung und den Datenaustausch hinaus. Sie integrieren die physischen Prozesse tiefgreifend mit der digitalen Steuerungsebene. Ein CPS ist nicht nur vernetzt, sondern auch in der Lage, autonom auf die gesammelten Daten zu reagieren und physikalische Prozesse aktiv zu steuern und zu optimieren.
Internet der Dinge (IoT): Um Daten zu sammeln und auszutauschen, konzentriert sich das IoT primär auf die Vernetzung von Alltagsgegenständen und Geräten. Es geht darum, "vernetzte Gegenstände" miteinander kommunizieren zu lassen und Informationen bereitzustellen. Ein Smart Home, das Licht und Heizung über eine App steuert, ist ein typisches IoT-Beispiel.

Anwendungsbereiche

Die Einsatzbereiche für cyber-physische Systeme sind vielfältig und reichen von der industriellen Produktion bis hin zu alltäglichen Infrastrukturen.

Produktionsanlage – CPS in der Industrie 4.0

CPS in der Industrie 4.0 (Smart Factory)

In der Industrie 4.0 sind CPS das Rückgrat der "Smart Factory". Hier ermöglichen sie die vollständige Digitalisierung und Vernetzung von Produktionsprozessen. Maschinen, Produkte und Logistiksysteme kommunizieren miteinander, tauschen Statusinformationen aus und steuern sich weitgehend selbst.

Intelligente Produktionslinien: Maschinen, die sich selbst konfigurieren und anpassen, um verschiedene Produkte herzustellen.
Vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance): Sensoren überwachen den Zustand von mechanischen Komponenten und melden frühzeitig drohende Ausfälle.
Autonome Transportsysteme: Fahrerlose Transportsysteme, die Material und Produkte innerhalb einer Fabrik bewegen.

Was ist die Industrie 4.0?

Tablet mit Symbolen für Smart-Home-Steuerung

Intelligente Infrastrukturen (Smart Grids, Smart Home)

CPS tragen maßgeblich zur Effizienz und Sicherheit kritischer Infrastrukturen bei:

Smart Grids (intelligente Stromnetze): Um die Erzeugung, Verteilung und den Verbrauch von Energie dynamisch zu steuern und zu optimieren, z. B. durch die Integration erneuerbarer Energien, nutzen CPS intelligente Stromnetze.
Smart Home: Obwohl oft dem IoT zugeordnet, können komplexere Smart Home-Systeme, die z. B. Heizung, Lüftung und Sicherheitssysteme intelligent und adaptiv steuern, als CPS betrachtet werden.

Was sind Smart Grids?

Autonome Systeme und Mobilität

Im Bereich der Mobilität und Robotik sind CPS unverzichtbar:

Autonome Fahrzeuge: Selbstfahrende Autos und Lkw, die über eine Vielzahl von Sensoren ihre Umgebung wahrnehmen und autonom Entscheidungen treffen, um sicher zu navigieren.
Industrieroboter: Roboter, die nicht nur programmierte Aufgaben ausführen, sondern auch auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren und ihre Bewegungen entsprechend anpassen können.

E-Health

Im Gesundheitswesen ermöglichen CPS neue Formen der Patientenversorgung und Überwachung:

Intelligente medizinische Geräte: Geräte, die Vitaldaten von Patienten kontinuierlich überwachen und bei Abweichungen automatisch Alarme auslösen oder Medikamente verabreichen.
Telemedizin: Systeme, die es Ärzten ermöglichen Patienten aus der Ferne zu überwachen und zu behandeln.

Chancen und Potenziale für die Industrie 4.0

 Effizienz und Produktivität: Automatisierung und Prozessoptimierung steigern Ressourcennutzung und Produktionsleistung.
 Flexibilität: CPS ermöglichen schnelle Anpassung an Marktveränderungen und Kundenwünsche durch dynamisch rekonfigurierbare Systeme.
 Geschäftsmodelle: Vernetzte Produkte und Dienste schaffen Raum für datenbasierte Services und neue Ansätze.
 Entscheidungen: Echtzeitdaten liefern präzise Entscheidungsgrundlagen.
 Weniger menschlicher Eingriff: Autonome Systeme übernehmen gefährliche oder wiederkehrende Aufgaben.
 Robustheit: Selbstüberwachung, Fehlererkennung und -behebung erhöhen die Ausfallsicherheit.

Fazit

Cyber-physische Systeme sind die treibende Kraft hinter der Transformation unserer Industrie und Gesellschaft. Sie ermöglichen die nahtlose Verbindung von physikalischen Prozessen mit Computernetzwerken und schaffen so eine neue Generation intelligenter, vernetzter und autonomer Systeme, die das Potenzial haben, unsere Welt grundlegend zu verbessern.