DIE LOKOMOTIVE ALS CYBER-PHYSISCHES SYSTEM

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1 DIE LOKOMOTIVE ALS CYBER-PHYSISCHES SYSTEM Hausmesse Reuschling, Hattingen Julian Franzen M. Sc. Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Produktionssysteme Wissenschaftlicher Mitarbeiter

2 AGENDA 1. Einleitung Grundlagen - Anwendungsgebiete 2. Die Lokomotive als CPS? 3. Fazit 2

3 WAS SIND CYBER-PHYSISCHE SYSTEME (CPS)? 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. Quelle: [Lee2008],[Acatech2012],[VDI2013] 3

4 WAS SIND CYBER-PHYSISCHE SYSTEME (CPS)? 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) 4

5 VORTEILE UND AKTUELLE EINSATZGEBIETE 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 SMART? Smarte Produkte begegnen uns bereits heute häufig im Alltag. Definitionsgemäß ist unter einem smarten Produkt die Kombination aus einem cyberphysischen Produkt mit einer internetbasierten Dienstleistung zu verstehen Benötigte Technologien Echtzeitfähige Embedded Systems Verteilte Sensornetzwerke Mobilfunknetz Anwendungsfelder von cyber-physischen Systemen: Energieversorgungsmanagementsysteme - Smart Grids E-Health -Systeme, altersgerechte Assistenzsysteme 2015 sind bereits 15 Milliarden Geräte Teil des integrierten Internets, spätestens 2020 werden nach aktuellen Prognosen 50 Milliarden Geräte im integrierten Internet vernetzt sein. Produktionssysteme: industrielle Prozesssteuerungs- und Automationssysteme Smart Factories [LPS2017],[acatech2012] 5

6 CPS - PRODUKTIONSSYSTEME Eigene Wortneubildung: CPPS Cyberphysische Produktionssysteme Unterscheidung zwischen zwei Integrationsrichtungen Vertikale Integration über die einzelnen Unternehmensebenen steigert die Effizienz des Unternehmens Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke führt zu einer Integration von Lieferanten, Unternehmen und Kunden Quelle: [Kagemann2013] 6

8 LOKOMOTIVE CPS? 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? Lüfter Zentrale Steuerung Motor Strömungsgetriebe Kompressor Metadaten Bremse 8

9 LOKOMOTIVE CPS? 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? Lokomotive Waggon Kunde Infrastruktur Unternehmen Verbraucher 9

10 VERTIKALE INTEGRATION 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 MMS Zentrale Steuerung Antriebsstrang Weitere Komponenten Motor Strömungsgetriebe Bremse 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 erlangen Sensorik Mikrocontroller 10

11 VERTIKALE INTEGRATION CPS-Lok aus einzelnen intelligenten Lokomotiv-Komponenten Lüfter Zentrale Steuerung Motor Strömungsgetriebe Kompressor Meta- Daten Bremse Quelle: [WLH2017] 11

12 SMARTE LOKOMOTIVE Internet /Cloud 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) 12

13 CPS-BASIERTE DIENSTLEISTUNGEN 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 Quelle: [worldpress2017] 13

14 VERTIKALE INTEGRATION STATUS QUO 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: t Serienreife Anwendungsforschung Grundlagenforschung 14

15 HORIZONTALE INTEGRATION 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 Kenntnis über Kunden- und Zugangsrestriktionen Intelligenz und Sensorik Intelligenz und Sensorik CPS - fahrzeugseitig CPS - Transportsystem Intelligenz und Sensorik anderer CPS CPS - Logistiksystem Global verfügbare Informationen Daten aus ganzheitlichem CPS-Logistiksystem 15

16 HORIZONTALE INTEGRATION 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? Quelle: [Kagemann2013] 16

18 POTENZIALE UND HERAUSFORDERUNGEN 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 18

19 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT Kontakt: Julian Franzen M. Sc. Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Produktionssysteme Wissenschaftlicher Mitarbeiter Tel.: