Cyber-physische Systeme und Automatisierungstechnik Woher kommen Sie? Was machen Sie? Was hat es mit Automatisierungstechnik zu tun

Distributed Concepts of the last three Decades Embedded Systems mid 1980s Ubiquitous Computing 1990 Pervasive Computing 1994 Ambient Intelligence 2000 early mass-produced embedded system was the Autonetics D-17 guidance computer for the Minuteman missile, released in 1961. With transistor logicand had a hard disc for main memory By the mid-1980s, most of the common previously external system components (potentiometers, analog compponents like capacitors, analog knobs) had been integrated into the same chip as the processor and this modern form of the microcontroller Ubiquitous Computing: Ubiquitous computing is roughly the opposite of virtual reality. Where virtual reality puts people inside a computer-generated world, ubiquitous computing forces the computer to live out here in the world with people. Virtual reality is primarily a horse power problem; ubiquitous computing is a very difficult integration of human factors, computer science, engineering, and social sciences (Marc Weiser) Cyber Physical Systems 2006

Ambient Intelligence Kaiserslautern Our 2003 AmI-definition: "Ambient Intelligence" represents an "intelligent environment", which reacts in a sensitive and adaptive way to the presence of humans and objects in order to provide various services to people , e.g. people who work, who travel, who enjoy recreation, who are elderly and live alone, who …. Who are …. Convalescent (nearly the same basic hardware as recreation but some additional devices and another environment)

Towards Cyber Physical Systems Embedded Systems mid 1980s Embedded Systems mid 1980s Ubiquitous Computing 1990 Pervasive Computing 1994 ? Ambient Intelligence 2000 1st CPS Week Multi-conference 2008 St. Louis 21.04.-24.04. 2008 with St. Louis CPS Summit 2008 2nd CPS Week Multi-conference 2009 San Francisco 13.04.-16.04. 2009 empty Cyber Physical Systems 2006

Inactivity based Alarm Generation in Smart Homes Cyber-physische Systeme und Automatisierungstechnik an Ambient Intelligence Project (2003 – 2013): Inactivity based Alarm Generation in Smart Homes Martin Floeck, Thorsten Rodner, Lothar Litz, Anette Spellerberg Granted by the BMBF, Ministry of Finance Rhineland Palatinate and Housing Societies of Kaiserslautern, Neuwied and Speyer

Inactivity based Alarm Generation in Smart Homes Cyber-physische Systeme und Automatisierungstechnik Project state of the art in 2014: completed incl. DRK line Inactivity based Alarm Generation in Smart Homes

Towards Cyber Physical Systems 2006 Early Definition by Edward Lee 2008: CPS are integrations of computation and physical processes. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, usually with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa (definition no longer appropriate, too general). Wide-Area Networks GSM, UMTS Internet Local-Area Networks Wi-Fi Fieldbus Personal-Area Networks Bluetooth, ZigBee, UWB Body-Area Networks proprietary 0m 1m 10m 100m 10km Networks of the Cyberspace

Angedachte Anwendungen (Domänen): Cyber-physische Systeme und Automatisierungstechnik Angedachte Anwendungen (Domänen): Smart Grid mit Optimierung des Einspeiser- und Verbrauchergleichgewichtes (über Haus, Auto, Industrie, …) Optimale Lenkung des Individualverkehrs (Traffic, Stadt und Fernverkehr) Optimale Lenkung des ruhenden Verkehrs in Großstädten (Parkhaus der Zukunft) Public Health mit automatischer Überwachung der Gesundheit vieler Individuen (körpernahe Sensorik bis Fernüberwachung, Notfallerkennung) Elderly People independent Living Maintenance – Systeme Industry 4.0

Hier behandelte Domäne: Cyber-physische Systeme und Automatisierungstechnik Hier behandelte Domäne: (Traffic, Stadt und Fernverkehr) Optimale Lenkung des ruhenden Verkehrs in Großstädten (Parkhaus der Zukunft) siehe Notizenteil für Details Intelligentes Parkhaus mit Stufen: Ziele: Optimale Platzausnutzung, kein Wandalismus mehr, keine Einbrüche in abgestellte Autos, hohe Belegung der Plätze, Vermeidung von Verkehrsproblemen bei der Parkhausanfahrt, … Heute: automatisches Einparken in Parklücken, Fahrer sitzt drin und gibt Gas und bremst, muss aber nach wie vor ein- und aussteigen, geht auch im Parkhaus. Wenn auch nicht unbedingt so wie von Hand. Enge Lücken beparkt der Mensch nicht zentrisch, sondern so dass mindestens die Fahrertür öffnet. Morgen: Fahrzeug wird in einem Übergabebereich abgestellt mit Angabe der voraussichtlichen Parkdauer. Fahrzeug parkt selbsttätig ein. Fahrer sitzt nicht drin, gibt nicht Gas und bremst nicht, d.h. Teilautonomie des Fahrzeuges im Zusammenhang mit einer organisatorischen Ebene (Welche Parkplätze an welche Autos zuweisen, keine festen reservierten vorab bezahlten Plätze, die dann sehr oft leer stehen.) Optimierungsebene im Parkhaus. Parkhausrechner weist Parkplatz zu (nicht Parklücke, keine Striche, sondern Auffüllen des Platzes, ohne Möglichkeit, auszusteigen. Im Einzelnen: Parkhaus hat eine Übergabe-Schleuse bei Einfahrt und Ausfahrt. Kunde gibt Fahrzeug in der Schleuse ab mit Angabe der voraussichtlichen Parkdauer. Parkhausrechner managet Zuteilung der Plätze, incl. Belegungskontrolle und Belegungsvorhersage. Fahrzeug parkt nach Zuweisung des Parkplatzes selbsttätig ein. (Pilotiertes Fahren) Fahrer sitzt nicht drin, gibt nicht Gas und bremst nicht, optimale Ausnutzung des Raumes, da kein Platz zum Einsteigen, Aussteigen benötigt wird, d.h. Teilautonomie des Fahrzeuges im Zusammenhang mit einem einer organisatorischen Ebene (Welche Parkplätze an welche Autos zuweisen, keine festen reservierten vorab bezahlten Plätze, die dann sehr oft leer stehen.) Parkhausrechner managet Zuteilung der Plätze, incl. Belegungskontrolle und Belegungsvorhersage. Parkhausrechner managet die Art der Plätze mit Leistungsanforderung, z.B. Plätze mit Stromanschluss für Elektrofahrzeuge und Aufladen während der Standzeit (Besitzer speist zu Hause ein) Kopplung mit Smat Grid CPS. Verbindung des intelligenten Parkhauses mit der Individualverkehrsteuerung. Voraussichtliche Belegung der Parkhäuser zentral bekannt, über Internet abgreifbar. Platzreservierung über Prioritätenliste während der Anfahrt zum gewünschten oder zum zugewiesenen Parkhaus. (Kommunikation per Internet), Preisstaffelung je nach Priorität der Platzzuweisung bzw. nach Verkehrsauslastung auf verschiedenen Routen, z.B. aufgrund von Unfällen, Staus. Optimierungsebene: Belegung der Parkhäuser mit konkurrierenden Betreibern. Preisgestaltung nach Auslastung und Nachfrage. Optimierungsebene: Verfügbarkeit der Zufahrtswege wegen Baustellen, Unfällen, momentanen Staus. Kopplung mit CPS Optimierung des Traffic Netzhierarchie (Autointern, Parkhausintern, Stadtintern) drei Autonomiestufen: Auto für sich allein. Auto im Parkhaus (kurze Parker erhalten kurze Wege). Parkhaus in der Stadt. Auto auf dem Weg zum Parkhaus (Welches Parkhaus wird wann zugewiesen? Anfahrzeiten, voraussichtliche Verkehrsentwicklung, Auflademöglichkeit für Akku, …) Erzeugt komplexe Gesamtsysteme mit wechselnder Struktur

Kennzeichen eines Cyber-physischen Systems: Cyber-physische Systeme und Automatisierungstechnik Kennzeichen eines Cyber-physischen Systems: Sehr viele Regelkreise mit sehr vielen Sensoren und Aktuatoren (physisch und virtuell), Reglern, lokal und global Kopplung mehrere Netzwerke auf unterschiedlichen Ebenen (geschlossene und offene) Ständige Änderung der Teilnehmer in der Domäne Teilautonomien sind in den Domänen realisiert Mehrere konkurrierende Stakeholder mit unterschiedlichen Optimierungskriterien Mehrere miteinander verkoppelte Optimierungsebenen Kopplung von CPS-Domänen untereinander (z.B. Smart Grid, Health, Traffic, Maintenance…)

Anforderungen an die Automatisierungstechnik: Cyber-physische Systeme und Automatisierungstechnik Anforderungen an die Automatisierungstechnik: Beherrschung der Systemdynamik der entstehenden, ineinandergreifenden Regelkreise (Stabilität, Performance, emergentes Verhalten) Modellierungsarten für die unterschiedlichen Ebenen, Verhaltensmodelle für nicht physikalische Teilsysteme, menschliches Verhalten, … Methoden des Modell-basierten Entwurfes und der Analyse unter den CPS-Randbedingungen (Regelung über offene Netze, Teilsystemausfall, Degradation, .. Online-Optimierungsverfahren auf den physikfernen Ebenen Beherrschung der Komplexität aus Sicht der Informatik (Security, SE, Extreme Programming, …)