Cyber Physical Systems: Die Verschmelzung der Wirklichkeit mit dem Netz wie Forschung und Industrie das Netz weiterentwickeln

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1 Cyber Physical Systems: Die Verschmelzung der Wirklichkeit mit dem Netz wie Forschung und Industrie das Netz weiterentwickeln Manfred Broy Lehrstuhl für Software & Systems Engineering Technische Universität München Institut für Informatik

2 Die digitale Revolution... Nahezu alle technischen Geräte enthalten heute digitale Hardware Software und sind global (d.h. über globale Netze) vernetzt Völlig neue Geräte, Funktionen und Anwendungen Smart Phones Digitale Bücher Fly by Wire Simulation... Wesentliche Informationen liegen in den Netzen Wesentliche Prozesse und Dienstleistungen sind digital unterstützt virtual engineering Internet Banking Google Maps... Manfred Broy 2

3 Die digitale Revolution... Wenig hat unsere technische und gesellschaftliche Welt in den letzten 40 Jahren so nachhaltig verändert wie neuartige Funktionen auf Basis digitaler Hardware und Software Manfred Broy 3

4 Was treibt die digitale Revolution... Das Mooresche Gesetz: Die Leistungssteigerung in der digitalen Hardware wächst exponentiell (Verdoppelung der Leistung etwa alle 1 1/2 Jahre) In 10 Jahren: Faktor 100 In 20 Jahren: Faktor Die Flexibilität programmierbarer Hardware: Die gleiche Hardware kann durch entsprechende Programmierung (durch Software) für völlig unterschiedliche Aufgaben eingesetzt werden Digitale Netze Die schier unbegrenzte Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten In nahezu jedem Anwendungsgebiet eröffnen Hardware/ Softwaresysteme neue Möglichkeiten Informatiksysteme als Teil der Wirklichkeit erweiterte Wirklichkeit Manfred Broy 4

5 Das Mooresche Gesetz Innsbruck, Juni 2011 Manfred Broy 5

6 Die Stufen der Informatik Maschinelle Informationsverarbeitung: Rechnen, Übertragen, Speichern, Darstellen Regeln und Steuern - Eingebettete Informatik: Information aufnehmen (Physikalische Phänomene über Sensoren in digitale Information umwandeln), Information verarbeiten, Information unmittelbar zur Wirkung bringen (digitale Information über Sensoren in Physikalische Phänomene umwandeln), Sonderfall: Mensch Maschine Interaktion Wissensorientierte Informatik: Unterstützung von Menschen in ihrer Wissensarbeit Betriebliche Informationssysteme... Manfred Broy 6

7 Informatik ändert unsere Möglichkeiten... Herzschrittmacher Nerven auf Si Millionen Lines of Code im Space Shuttle Airbag Manfred Broy 7

8 Schier unbegrenzte Einsatzbreite... Berechnungen (Hochleistungsrechnen) Simulation Wetter Atomare Reaktionen Zerlegung großer Zahlen in Primfaktoren Animation in Spielfilmen Management großer Datenmengen Data Mining Verwaltung von Abrechnungsdaten Mobile Telefonie Eingebettete Systeme Fly by Wire... Robotik Softwarebasierte Funktionen im Automobil Manfred Broy 8

9 Das Auto ein komplexes Informatiksystem Bis zu 40% der Herstellkosten eines Fahrzeugs werden durch Elektronik/Software bestimmt. 90% aller Innovationen sind getrieben von Elektronik/ Software % der Entwicklungskosten eines Steuergeräts (ECU) entfallen auf die Software. Premiumfahrzeuge besitzen bis zu 100 Steuergeräte, die über 5 Bussysteme kommunizieren. Manfred Broy 9

10 Eingebettete Systeme Eingebettete Systeme der Informationsverarbeitung sind über Sensoren/Aktoren direkt mit Vorgängen der Realität verbunden, beeinflussen die Realität und werden von dieser beeinflusst. In den Systemen der Informatik entsteht ein technisches Abbild der Realität mit dem Ziel: Aussagen über die Realität treffen zu können, Auf Ereignisse der Realität zu reagieren, Die Realität zu beeinflussen. Es entsteht Rückkopplung zwischen den Systemen der Informatik und der Realität Manfred Broy 10

11 Embedded Systems (ES) Eingebe'etes System = Zentralnervensystem wahrnehmen analysieren entscheiden handeln von Produkten in den führenden deutschen WirtschaAszweigen

12 Intelligente Embedded Systems erfassen autonom und zuverlässig über Sensoren ihre Umgebung beeinflussen und steuern ihre Umgebung durch Aktuatorik erfüllen automamsch der Lage entsprechend ihre Aufgaben, auch in extremen SituaMonen (z.b. unter Echtzeitbedingungen, in unwirtlicher Umgebung) Beispiel: Sicherheitsmantel um Automobil

13 Intelligente ES Beitrag zu gesell. und Eng. Herausforderungen GesellschaAliche Herausforderungen: Mobilität Anwendung: Assistenzsysteme im Automobil Gesundheit Anwendung: intelligente Niere Herausforderungen Engineering: Wiederverwendbarkeit / Erweiterbarkeit Composability AdapMvität Selbstheilung

14 Das Internet ein weltweites Netzwerk aus vielen Rechnern/Rechnernetzwerken, durch das Daten ausgetauscht werden ermöglicht die Nutzung von Internetdiensten wie , Telnet, Usenet, Dateiübertragung, WWW, zunehmend auch Telefonie, Radio und Fernsehen. Connectivity: jeder Rechner kann weltweit mit jedem anderen Rechner verbunden werden Datenaustausch über die technisch normierten Internetprotokolle Manfred Broy 14

15 World Wide Web Manfred Broy 15

16 World Wide Web World Wide Web: Netz von Informationen mit HTTP als Protokoll, mit dem der Browser Informationen vom Webserver anfordert HTML als Dokumentenbeschreibungssprache, die festlegt, wie die Information gegliedert ist und wie die Dokumente verknüpft sind (Hyperlinks) URLs als eindeutige Adresse (z. B. einer Webseite), die in Hyperlinks verwendet wird. Web 2.0: interaktiver und kollaborativer Elemente des www - social media Web 3.0: Semantische Web Future Internet - Mobile IP Internet der Dinge und Dienste - CPS Manfred Broy 16

17 Das Internet der Dinge: Was ist das? Profane Idee: Dinge bekommen Internetadressen und werden mit dem Internet verbunden. Reichen die Internetadressen aus? IPv6: 128 bits - mehr als d.h. mehr als IP Adressen pro Kopf der Menschheit Etwas differenzierter Geräte (Ampeln, Handies, Autos, Flugzeuge, Gebäude,...) mir eingebetteten Softwaresystemen werden direkt ins Internet verbunden Tauschen wechselseitig Daten aus und nutzen wechselseitig Dienste Manfred Broy 17

18 Evolu=on von Embedded Systems zu Cyber- Physical Systems Cyber- Physical Systems Systems- of- Systems Intelligente und KooperaMve Embedded Systems Intelligente Embedded Systems Embedded Systems 18

19 Cyber-Physical Systems (CPS) Die Synergie und zunehmende Integration zweier zentraler Innovationsfelder Eingebettete Systeme Globale Netze (World Wide Web, Internet) führt auf Cyber-physical Systems (CPS)... der Bogen schließt sich! Manfred Broy 19

20 Anwendungsdomänen Wiss. Herausforderungen Verkehr Verkehrsmittel: Zug, Kfz, Schiff, Fluggerät Verkehrssteuerung Medizintechnik Kommunikation Automatisierungs- und Produktionstechnik Facility Management Consumer Systems / Infotainment Banking Energy Verteidigung... Manfred Broy 20

21 Die schier unbegrenzte Einsatzbreite... Mobile Telefonie Consumers Electronics Eingebettete Systeme im Verkehr Fly by Wire Softwarebasierte Funktionen im Automobil Verkehrssteuerung Produktion Robotik Medizintechnik Haustechnik Energienetze Assistenzsysteme Cash Systeme... Manfred Broy 21

22 Software ist überall autonome Automobile Künstliches Gelenk Manfred Broy 22

23 Software ist überall Ubiquituous Intelligent Services Smart Labels Manfred Broy 23

24 Die Visionen... Smart Objects / Smart Devices Pervasive Computing - alles durchdringende Vernetzung des Alltags Ubiquitous Computing - Allgegenwärtigkeit Nomadic Computing - Mobile computing Ambient Intelligence Organic Computing Self-X-Systems Biologically-inspired computing with organic properties Real World Awareness Internet of Things Internet of (physical) services Systems of systems Cyber-Physical Systems... Manfred Broy 24

25 Die Herausforderungen Markt und Applikationsfelder Wirtschaftliche Bedeutung - Hebelwirkung Gesellschaftliche Rolle - Veränderung der Gewohnheiten Neue Geschäftsmodelle - wirtschaftl. Ecosysteme Produkte und Dienste Multifunktionalität Verteilung & Vernetzung Ubiquitär, Pervasive, Context Awareness Sicherheit (Safety & Security) Vernetzte Applikationen: Dienstbündel Entwicklung: Beherrschung Engineering Qualität, Kosten, Zeit - Komplexität Wartung und Evolution Produktlinien Manfred Broy 25

26 Was führt auf grundlegende Veränderungen...? Der Airbag? Das mobile Telefon? Das Smartphone? WWW? Google? Soziale Netze? Persönliche digitale Assistenten? DDD: Umfassende Vernetzung von Dingen, Daten, Diensten?... und was verändert sich? Manfred Broy 26

27 Die Visionen... Künstliche Intelligenz... menschenähnliche Intelligenz nachzubilden? Unsinn warum auch? Umfassende Vernetzung? Information vernetzt - just in Time? Automatisierte Reaktion punktgenau? Integrierte Assistenz? Multimodale Kommunikation? Data Mining?... Manfred Broy 27

28 Die Implikationen einer vernetzten Welt Informatik näher am Menschen Politisch... Rechtlich... Wirtschaftlich... Gesellschaftlich... Ethisch... Sozial... Zwischenmenschlich Manfred Broy 28

29 Informatik und Gesellschaft... Human Factors Die besondere Relevanz der Informatik für die Gesellschaft Informatikwerkzeuge führen auf neue Formen der Kommunikation und sozialen Interaktion verstärken nicht unsere physischen sondern unsere kognitiven Möglichkeiten ermöglichen und suggerieren neue Sichten auf die Welt schaffen neuartige Möglichkeiten und erfordern somit rechtliche und ethische Gestaltung erweitern unsere Welt um eine digitale Schattenwelt (nicht Second Life sondern digitaler Spiegel in der Cloud ) verändern das Machtgefüge (sozial, wirtschaftlich, rechtlich, politisch, militärisch...)... und erfordern deshalb eine intensiven Diskurs! Manfred Broy 29

30 Das Internet als Innovationstreiber... Woher kommt die Innovationskraft? Verknüpfung von Eigenschaften: Ortsunabhängigkeit und Mobilität Global Universalität und Flexibilität Programmierbar Multi-funktional Geräteunabhängig Bandbreite der Nutzung Technisch Kommunikation und soziale Interaktion Informationsmedium Unterhaltungsmedium Assistenzfunktionen Speicherung von Daten Wirtschaftlich... Manfred Broy 30

31 Transparenz im Web... Was muss man alles wissen, um Fragen folgender Art beantworten zu können Kommt meine zuverlässig an. Gibt es einen digitalen Radiergummi? Wann ist die Eingabe von Kreditkarteninformation sicher? Kann eine Recherche im Netz beobachtet werden? Sind meine Daten geschützt, wenn ich sie einem Dienst anvertraue? Kann ich bestimmten Informationen im Netz vertrauen? Kann ich meine Geschäftsprozesse risikolos auf bestimmte Dienste im Netz aufbauen? Wie werden bestimmte Dienste im Netz finanziert? Kann Profiling im Netz unterbunden werden? Manfred Broy 31

32 Digitaler Schatten Digitale Identität Die Stolpersteine und Erfordernisse... Wer verwaltet die persönlichen Daten... Sicherheit Rechtemanagement Nur wenn diese Problematik gut gelöst wird, kann Vertrauen entstehen Innovative personenbezogene Dienste realisiert werden Manfred Broy 32

33 Wollen wir ein Recht auf Privatheit? Unter welchen Voraussetzung dürfen Information über Personen gespeichert werden zugreifbar sein weitergegeben werden Ist Profiling zulässig: Verlust der Anonymität Erstellen von Dossiers über Personen in Sekundenstelle nahezu ohne Aufwand (Kosten) Kreditwürdigkeit Versicherungsprämienhöhe... Wer hat die Rechte an anonymisierten Massendaten Verkehr Telefon Internet Manfred Broy 33

34 Wo ist der Unterschied zu früher? Bei den technischen Möglichkeiten: Massendaten erfassen (Digital Footprints) Massendaten speichern Massendaten auswerten/durchsuchen (Data Mining) Daten zuordnen und wirksam einsetzen Automatisierte Reaktionen Verknüpfung von Massendaten und individuellen Daten Micropayments... Bei der Infrastruktur Vorhandene Netze Vorhandene Geräte Daten und Dienste in den Netzen Manfred Broy 34

35 Die Mega-Trends Konvergenz: Datennetze, Kommunikationsnetze, Videonetze, Softwaredienste,... Interoperabilität: Alles spielt zusammen... Miniaturisierung: Geräte werden kleiner, leichter, energieefizienter Mobilität: Orts- und Geräteunabhängigkeit Leistungszuwachs: Mooresches Gesetz Funktionszuwachs Globalisierung Big Data... Manfred Broy 35

36 Positionierung deutsche Wirtschaft Keine ausgeprägten Internetfirmen Fehlen strategisch erfolgreicher einschlägiger Start-Ups (wie Google, Apple, Facebook, Amazon,...) Viele strategische Positionen betroffen Beispiel: Von der automobilen Gesellschaft zur vernetzten Mobilitätsdienstleistung Beispiel: Telekommunikation Auflösung klassischer Telekommunikationsstrukturen Beispiel: Infotainment Führungsmanagement eher konservativ Nicht internetaffin Strategisches Bewusstsein fehlt oftmals Einzelne Unternehmen (Beispiel Bosch) und Verbände (Bitkom, VDA, VDI, VDMA, ZVEI) aktiv Manfred Broy 36

37 Goldgräberstimmung bei Internetfirmen... der wilde Westen... Was technisch möglich und wirtschaftlich interessant ist, wird auch gemacht: Verlockung beim Kunden Intransparenz... Die neuen wirtschaftlichen Strukturen... Technologiekartelle Informationsmonopole Plattformen und Ökosysteme... Manfred Broy 37

38 Innovative Dienste im Netz erfordern... Die Verwaltung personenbezogenen/vertraulichen Daten einheitlich für unterschiedliche Dienste (Rechtekonzept) Formen der Selbstbestimmung über die Daten Verbindliche Regeln für die Weitergabe von Daten Die Verknüpfung von Diensten die mit personenbezogenen/vertraulichen Daten arbeiten Kontrolle über Daten zweck- und dienstbezogen Verlässliche Kategorisierung von Diensten (Zertifizierung) Vertrauenswürdig beabsichtigter Umgang mit Daten entspricht den Vereinbarungen Technisch keine Probleme durch technische Mängel Manfred Broy 38

39 Die Interessengruppen und ihre Themen Stakeholder Themen Handlungsbedarf Politik Staat Wirtschaft Industrie Wissenschaft Universität Verfassung Gesetze Hoheitsaufgaben Sicherheit Potentiale Innovation Forschung Ausbildung Diskurs Rechtlichen Rahmen schaffen Rolle des Staates im Netz (digitale Identität) Internet kein rechtsfreier Raum Staatliche Sicherheitsverantwortung Unternehmerisches Handeln (Start Ups) Wandel gestalten Plattformen schaffen Potenziale erforschen Interdisziplinarität Privater Raum Informiertheit Medienkompetenz Digitale Selbstbestimmung Gesellschaft Ethische Fragen Soziale Netze Manfred Broy 39

40 Fazit Innovative Dienste in Netzen erfordern Regulierung auf Basis eines gesellschaftlichen Konsenses auf Basis umfassender Kompetenz/Expertise über alle relevanten Aspekte Aspekte Rechtlich Technisch Wirtschaftlich Ethisch Psychologisch Die Nutzung der Potentiale erfordert technische und wirtschaftliche Kompetenz Ausbildung Entrepreneurship Dies erfordert den Aufbau umfassender Kompetenzzentren Manfred Broy 40

41 Dringender Handlungsbedarf Kompetenzzentren schaffen Umfassende interdisziplinäre Kompetenz Politische Zuständigkeiten schaffen Interdisziplinäre Ausbildungsgänge Ausschöpfung der Potenziale durch Industrie und Wirtschaft Plattformen Gesellschaftlichen Diskurs moderieren Auswüchse bekämpfen Den Mensch ins Zentrum stellen Manfred Broy 41