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23.06.2017 | Die Lokomotive als cyber-physisches System | Julian Franzen
Hausmesse Reuschling, Hattingen
23.06.2017
DIE LOKOMOTIVE ALS CYBER-PHYSISCHES SYSTEM
Julian Franzen M. Sc.
Ruhr-Universität Bochum – Lehrstuhl für Produktionssysteme
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
E-Mail: [email protected]
23.06.2017 | Die Lokomotive als cyber-physisches System | Julian Franzen
AGENDA
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1. Einleitung – Grundlagen - Anwendungsgebiete
2. Die Lokomotive als CPS?
3. Fazit
23.06.2017 | Die Lokomotive als cyber-physisches System | Julian Franzen
WAS SIND CYBER-PHYSISCHE SYSTEME (CPS)?
Quelle: [Lee2008],[Acatech2012],[VDI2013] 3
Schlagwort aus den USA im Kontext der fortschreitenden industriellen Automatisierung
Keine einheitlich gültige Definition eines CPS, stattdessen Definition über Beschreibung, welche Eigenschaften ein CPS charakterisieren
Erstmalige Veröffentlichung des Wortes CPS von E. A. Lee, 2008:
“Cyber-Physical Systems (CPS) are integrations of computation with physical processes. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, usually with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa.”
Forschungsagenda CPS, 2013:
„Cyber-Physical Systems (CPS) sind gekennzeichnet durch eine Verknüpfung von realen (physischen) Objekten und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze.“
23.06.2017 | Die Lokomotive als cyber-physisches System | Julian Franzen
„Cyber-Physical Systems (CPS) sind gekennzeichnet durch eine Verknüpfung von realen (physischen) Objekten und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze.“
Bedeutet vereinfacht:
Reale physische Gegenstände werden mit Sensorik und internetfähigen Mikrokontrollern ausgestattet und vernetzt
– Reale physische Gegenstände können somit in das Internet eingebunden werden
– Stellen mit Hilfe ihrer Identität und ihrer Echtzeitdaten eine cyber-Repräsentation ihrer physischen Erscheinung dar
– Können durch dezentrale Rechenkapazität und vorhandene Daten eine eigene Intelligenz aufweisen
Es entsteht ein Internet der Dinge (IoT)
WAS SIND CYBER-PHYSISCHE SYSTEME (CPS)?
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VORTEILE UND AKTUELLE EINSATZGEBIETE
[LPS2017],[acatech2012] 5
Vorteile
– Visualisierung und Nutzung der Daten und Strukturen der CPS für die intelligente Auswertung und Optimierung (smarte Produkte)
– Erweiterung der Systemgrenzen auf bisher nicht betrachtete Elemente, Zusammenschluss mehrerer Gesamtsysteme zur Eröffnung neuer Potenziale
– Offene Architektur – Nachträgliche Erweiterung möglich
Benötigte Technologien
– Echtzeitfähige Embedded Systems
– Verteilte Sensornetzwerke
– Mobilfunknetz
– …
Anwendungsfelder von cyber-physischen Systemen:
– Energieversorgungsmanagementsysteme - Smart Grids
– „E-Health“-Systeme, altersgerechte Assistenzsysteme
– Produktionssysteme: industrielle Prozesssteuerungs- und Automationssysteme –Smart Factories
SMART? Smarte Produkte begegnen uns bereitsheute häufig im Alltag.Definitionsgemäß ist unter einemsmarten Produkt die Kombination auseinem cyberphysischen Produkt miteiner internetbasierten Dienstleistungzu verstehen
2015 sind bereits 15 Milliarden GeräteTeil des integrierten Internets,spätestens 2020 werden nachaktuellen Prognosen 50 MilliardenGeräte im integrierten Internetvernetzt sein.
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CPS - PRODUKTIONSSYSTEME
Quelle: [Kagemann2013] 6
Eigene Wortneubildung: CPPS – Cyberphysische Produktionssysteme
Unterscheidung zwischen zwei „Integrationsrichtungen“
– Vertikale Integrationüber die einzelnen Unternehmensebenen steigert die Effizienz des Unternehmens
– Horizontale Integrationüber Wertschöpfungsnetzwerke führt zu einer Integration von Lieferanten, Unternehmen und Kunden
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AGENDA
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1. Einleitung – Grundlagen - Anwendungsgebiete
2. Die Lokomotive als CPS?
3. Fazit
23.06.2017 | Die Lokomotive als cyber-physisches System | Julian Franzen
LOKOMOTIVE – CPS?
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Wie lässt sich die Lokomotive sinnhaftig als CPS interpretieren? Welche Vorteile ergeben sich?
Betrachtung der horizontalen und vertikalen Integration:
– Vertikale Integration über die einzelnen Lokomotivkomponenten – Steigerung der Produktivität/Effizienz des Fahrzeugs
– Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke führt zu einer Integration von Lieferanten, Unternehmen und Kunden
Ist die Lokomotive ein CPS oder ist die Lokomotive Teil eines CPS?
Motor
Bremse
Strömungs-getriebe
Zentrale Steuerung
Kom-pressor
Lüfter
Meta-daten
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LOKOMOTIVE – CPS?
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Wie lässt sich die Lokomotive sinnhaftig als CPS interpretieren? Welche Vorteile ergeben sich?
Betrachtung der horizontalen und vertikalen Integration:
– Vertikale Integration über die einzelnen Lokomotivkomponenten – Steigerung der Produktivität/Effizienz des Fahrzeugs
– Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke führt zu einer Integration von Lieferanten, Unternehmen und Kunden
Ist die Lokomotive ein CPS oder ist die Lokomotive Teil eines CPS?
Infra-struktur
Unter-nehmen
Ver-braucher
Lokomotive
Waggon
…
Kunde
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VERTIKALE INTEGRATION
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Zentrale Steuerung
Antriebsstrang
MotorStrömungs-
getriebeBremse
MMS
Weitere Komponenten
Sensorik
Was ist zu tun, um fahrzeugbezogen zur CPS-Lok zu gelangen?
Typische HW-Architektur einer (Bestands-)Rangierlokomotive
– Zentrale Steuerung – herkömmliche SPS- oder objektorientierte Programmierung
– Anbindung an den Antriebsstrang zur Leistungssteuerung
– Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS)
– Isolierte / nicht IT- / IoT-fähige Systeme
Status Quo:
– Ist die Lokomotive in dieser Form CPS-fähig?
– Enabler:
• Komponenten müssen „sprechen lernen“
• Komponenten müssen Teil des Internets werden
• Komponenten müssen eine Intelligenz erlangenMikrocontroller
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VERTIKALE INTEGRATION
Quelle: [WLH2017] 11
CPS-Lok aus einzelnen intelligenten Lokomotiv-Komponenten
Motor
Bremse
Strömungs-getriebe
Zentrale Steuerung
Kom-pressor
Lüfter
Meta-Daten
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CPS-Lokomotivdaten im Internet verfügbar,
Grundlage für die smarte Lokomotive ist geschaffen
Enabler für neue Dienstleistungen und Geschäftsmodelle!
Art der Dienstleistungen entscheidet darüber, welche Komponenten Teil des CPS werden (überwiegend ökonomische Entscheidung)
SMARTE LOKOMOTIVE
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Internet/Cloud
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CPS-BASIERTE DIENSTLEISTUNGEN
Quelle: [worldpress2017] 13
Erschaffung eines Digitalen Zwillings
– Hinterlegung eines Lokomotiv-Modells
– Hinterlegung eines visuellen digitalen Abbilds (CAD-Modell)
– Dokumentation und Visualisierung der Komponentendaten
– Ermöglicht:
• Nachvollziehbarkeit des Betriebs
• Dokumentationspflichten
• Intelligenz
– Erhöhte Verfügbarkeit, geringere Instandhaltungskosten,
– Nutzung der Daten zur Optimierung der Wartung (Intelligenz)
• Simulation/Virtuelle Inbetriebnahmen
• Skalierbarkeit
Augmented Reality
– Intelligente Komponenten teilen mit, dass eine Wartung/Instandsetzung von Nöten ist
– Schnittstelle zur Augmented Reality
– Ermöglicht:
• Zielgerichtete Aktivitäten durch Anleitung/Unterstützung des Werkers durch Hinführung zur Komponente und automatisierter Bereitstellung von Dokumentation und Ersatzteilen
• Reparatur-/Wartungsmöglichkeiten im Feld
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VERTIKALE INTEGRATION – STATUS QUO
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Betrachtungsfokus sorgfältig auswählen
– Hardware ist vorhanden, Fokus ist von Ökonomieaspekt abhängig
Methodische Grundlagen aus Kontext des Internets der Dinge aus Disziplinen wie der Produktionstechnik sind vorhanden und etabliert oder auf dem Weg dorthin und können adaptiert werden
– RAMI 4.0-Referenz-Modell
– …
Herausforderung liegt darin, bahnspezifische Intelligenz zu erzeugen und nutzbar zu machen (hoher Engineering-Aufwand)
Technologischer Standort:
Grundlagenforschung
Anwendungsforschung
Serienreifet
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CPS - fahrzeugseitig
HORIZONTALE INTEGRATION
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CPS-Integration in die gesamte Wertschöpfungskette? Kann die CPS-Denkweise ein Schlüssel zum (teil-)autonomen Fahren sein?
Überlegung: welche Informationen benötigen wir zum autonomen Fahren?
Kenntnis über sich selbst
-Gespanndynamik
Kenntnis über unsere direkte Umgebung
-Umgebungsabbild
Kenntnis über Infrastruktur und
andere Teilnehmer
Intelligenz undSensorik
Intelligenz undSensorik
CPS - Transportsystem
Intelligenz undSensorik
anderer CPS
Kenntnis über Kunden- und
Zugangsrestrik-tionen
Global verfügbare
Informationen
CPS - Logistiksystem
Daten aus ganzheitlichem CPS-Logistiksystem
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Herausforderung: Bereitstellen der Daten und anschließende Überführung in ein hochkomplexes Modell zur optimalen Handlungsableitung zur Erreichung der smarten Bahntransportlogistik auf Basis des autonomen Fahrens?
Betrachtung zeigt, dass Beherrschung der vertikale Integration Voraussetzung für horizontale Integration ist
CPS-Logistiksystem kann wiederum Teil des anfänglich vorgestellten CPPS sein
Wo sind die Grenzen eines CPS?
HORIZONTALE INTEGRATION
Quelle: [Kagemann2013] 16
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AGENDA
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1. Einleitung – Grundlagen - Anwendungsgebiete
2. Die Lokomotive als CPS?
3. Fazit
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POTENZIALE UND HERAUSFORDERUNGEN
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Potenziale:
– Physisch: offene Architektur, beliebig erweiterbar
– fahrzeugseitig: Dokumentation, Optimierung des Betriebs und der Instandhaltung, Digitaler Zwilling, Assistenzsysteme „Augmented Reality“
– Übergeordnet: Optimierung der kompletten Wertschöpfungskette, Methodischer Rahmen für autonomes Fahren von Schienenfahrzeugen?
– Wir stehen erst am Anfang: Digitalisierung findet statt, wir haben die Möglichkeit sie innerhalb unseres Aktionsradius mitzugestalten
– Wir beginnen nicht auf der grünen Wiese, sondern können auf die Erfahrungen anderer Disziplinen zurückgreifen
Herausforderungen
– Monetär: Digitalisierung kostet Geld
– Cybersicherheit
– Programmierung von künstlicher Intelligenz auf Basis von neuronalen Netzen und Deep Learning erfordert Umdenken
– Rechtlich: wie werden CPS und deren Intelligenz zugelassen (was ist der Unterschied zu klassischen SPS-Zulassungen und der Nachweis der Sicherheit von auf künstlicher Intelligenz basierenden CPS)
• Wesentliche Punkte: Kommunikation, Ausfallsicherheit, Testverfahren für künstliche Intelligenz
• reichen vorhandene Regelwerke noch aus?
– Regelwerke zum Betrieb: wer trägt die Verantwortung für den Betrieb
– Akzeptanz: autonomes Agieren für Menschen unbekannt – Parallele Auto
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VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT
Kontakt:
Julian Franzen M. Sc.Ruhr-Universität Bochum – Lehrstuhl für ProduktionssystemeWissenschaftlicher MitarbeiterE-Mail: [email protected].: 0234 – 32 29848