Vernetzte Daten, Dinge, Dienste: Cyber-Physical Systems

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1 Vernetzte Daten, Dinge, Dienste: Cyber-Physical Systems Die Verschmelzung der Wirklichkeit mit dem Netz Manfred Broy Lehrstuhl für Software & Systems Engineering Technische Universität München Institut für Informatik

2 You'll see more and more perfection of that - computer as servant. But the next thing is going to be computer as a guide or agent. Steve Jobs

3 Die digitale Revolution... Nahezu alle technischen Geräte (Auto, Zug, Roboter,...) enthalten heute digitale Hardware Software bieten neuartige Funktionen und sind global (d.h. über globale Netze) vernetzt Völlig neue Geräte, Funktionen und Anwendungen Tablets Digitale Bücher e-books Fly by Wire Simulation Assistenzsysteme... Wesentliche Informationen liegen in den Netzen Wesentliche Prozesse und Dienstleistungen sind digital unterstützt Virtual Engineering Internet Banking Manfred Broy 3

4 Was treibt die digitale Revolution... Das Mooresche Gesetz: Die Leistung in der digitalen Hardware wächst exponentiell (Verdoppelung der Leistung alle 1 1/2 Jahre bei gleichem Preis) In 10 Jahren: Faktor 100 In 20 Jahren: Faktor Digitale Netze Übertragungsleistung wächst exponentiell Die Flexibilität programmierbarer Hardware: Die gleiche Hardware kann durch Programmierung (durch Software) für völlig unterschiedliche Aufgaben eingesetzt werden Beispiel Skype 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 Informatik ändert unsere Möglichkeiten... Herzschrittmacher Nerven auf Si Millionen Lines of Code im Space Shuttle Smart Phone Airbag 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 Aktuatoren in Physikalische Phänomene umwandeln), Sonderfall: Mensch Maschine Interaktion Wissensorientierte Informatik: Unterstützung von Menschen in ihrer Wissensarbeit Betriebliche Informationssysteme... Manfred Broy 6

7 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 7

8 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 8

9 Intelligente Embedded Systems erfassen autonom und zuverlässig über Sensoren ihre Umgebung beeinflussen und steuern ihre Umgebung durch Aktuatorik erfüllen automa<sch der Lage entsprechend ihre Aufgaben, auch in extremen Situa<onen (z.b. unter Echtzeitbedingungen, in unwirtlicher Umgebung) Beispiel: Sicherheitsmantel um Automobil 9

10 Evolu3on von Embedded Systems zu Cyber- Physical Systems Cyber- Physical Systems Systems- of- Systems Intelligente und Koopera<ve Embedded Systems Intelligente Embedded Systems Embedded Systems 10 10

11 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 11

12 World Wide Web Manfred Broy 12

13 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 13

14 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,...) mit eingebetteten Softwaresystemen werden direkt ins Internet verbunden Tauschen wechselseitig Daten aus und nutzen wechselseitig Dienste Das Internet wird Real World Aware Manfred Broy 14

15 From Embedded to Cyber-Physical Systems Interfaces to users, to the physical world and to cyberspace Physical World HMI Embedded Embedded System Embedded System System CPS HMI Cyberspac e Services & Data Manfred Broy 15

16 Cyber-Physical Systems (CPS) Die Synergie und zunehmende Integration dreier zentraler Innovationsfelder Digitaler Technologie Eingebettete Systeme mobile Endgeräte Globale Netze (World Wide Web, Internet, Mobile TelCo) Hochleistungssoftwaresysteme führt auf Cyber-physical Systems (CPS)... der Bogen schließt sich! Manfred Broy 16

17 Software ist überall autonome Automobile Manfred Broy 17

18 Software ist überall Ubiquituous Intelligent Services Google Brille Smart Labels Manfred Broy 18

19 Die Zukunft... Umfassende Vernetzung? Rechner eingebettet überall? Information umfassend vernetzt - just in Time? Automatisierte Reaktion punktgenau? Integrierte Assistenz? Multimodale Kommunikation? Data Mining? Soziale Netze? Autonome Fahrzeuge? Business Intelligence?... Manfred Broy 19

20 Vernetzte Mobilität Beispiel: Autonomes Fahren Manfred Broy 20

21 Vernetzte Industrie Industrie 4.0 Manfred Broy 21

22 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 Business Intelligence Systems of systems Cyber-Physical Systems... Manfred Broy 22

23 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 23

24 Services in the Cloud... Auf Basis von Cloud Technologie entstehen Dienstplattformen Basisdienste (Skalierende Breitbanddienste, Security,...) Individuelle Dienstangebote (Applikationen) Verknüpfung von Diensten zu höherwertigen Diensten Einbindung von eingebetteten Systemen Flexible Verlagerung von Dienstanteilen zwischen Geräten und Plattformen Stichwort: Dienstarchitekturen Service oriented Architectures... as a Service Herausforderung: Dienstgüte Quality of Service Manfred Broy 24

25 Die Zukunft... Künstliche Intelligenz... menschenähnliche Intelligenz nachzubilden? Unsinn warum auch? Umfassende Vernetzung? Information vernetzt - just in Time? Automatisierte Reaktion punktgenau? Integrierte Assistenz? Multimodale Kommunikation? Data Mining inmemmory Datenbanken?... Manfred Broy 25

26 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 26

27 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 Konvergenz der Medien Führungsmanagement eher konservativ Nicht internetaffin Strategisches Bewusstsein/Kompetenz fehlt oftmals Einzelne Unternehmen (Beispiel Bosch) und Verbände (Bitkom, VDA, VDI, VDMA, ZVEI) aktiv Manfred Broy 27

28 Goldgräberstimmung bei Internetfirmen... der wilde Westen... Was technisch möglich und wirtschaftlich interessant ist, wird auch gemacht: Verlockung der Kunden durch innovative Dienste Intransparenz Global Ablösung von Ortsprinzip... Die neuen wirtschaftlichen Strukturen... Technologiekartelle der Kampf um die Patente Informationsmonopole Plattformen und Ökosysteme Neue Geschäftsmodelle... Manfred Broy 28

29 Software als Schlüsseltechnik Software wird auf allen Ebenen immer noch stärker zur Schlüsseltechnik Plattformen Applikationen - Apps Netze Interoperabilität Entwicklung Die Beherrschung der Softwaretechnik wird zum zentralen Wettbewerbs- und Erfolgsfaktor Erschließung und Durchdringung der Anwendungsdomänen Gestaltung und Vernetzung der Funktionen Individualisierung der Systeme Manfred Broy 29

30 Innovative Dienste und soziale Medien 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 30

31 Die Stolpersteine und Erfordernisse... Digitaler Schatten Digitale Identität Wer verwaltet die persönlichen Daten... Sicherheit Rechtemanagement Nur wenn diese Problematik gut gelöst wird, kann Vertrauen entstehen Innovative personenbezogene Dienste realisiert werden Manfred Broy 31

32 Fazit Die Möglichkeiten der vernetzten Systeme sind nahezu unbegrenzt Ortsunabhängigkeit und Mobilität Vernetzung Konnektivität Einbindung an Prozesse der Realität Physikalität Semantische Interpretation Context Awareness - Situativität Big Data Data Mining Distributed Control - Selbstorganisation Dienstorientierung - Interoperabilität... Industrie 4.0 steht für die nächste Welle der industriellen Revolution die Welle hat uns bereits erreicht Manfred Broy 32

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