Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKSIm Zeitalter der Digitalisierung ist die Wettbewerbsfähigkeit vieler Unternehmen stark von der Qualität und Anpassungsfähigkeit ihrer Software abhängig. Das bedeutet für die Produktentwicklung, dass die verbauten Softwarekomponenten kontinuierlich optimierbar und einfach aktualisierbar sein müssen. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, ist es bei der Entwicklung von rein softwarebasierten Systemen mittlerweile Industriestandard, auf den DevOps-Ansatz zurückzugreifen. Dabei geht es um die reibungslose Zusammenarbeit zwischen den zuvor isolierten Bereichen der Entwicklung (Development) und dem IT-Betrieb (Operations). So können Prozesse optimiert, Updates schneller und effizienter durchgeführt und dadurch Kundinnen und Kunden besser bedient werden.
Success Story: RoboDevOps – Kontinuierliche Entwicklung und Absicherung von autonomen, mobilen Robotersystemen
Mit Einbindung der bewährten DevOps-Prinzipien könnte auch der Bereich der Robotik erheblichen Nutzen aus der optimierten Integration von Aktualisierungen ziehen. Aufgrund der erhöhten Komplexität lassen sich diese jedoch nicht so einfach transferieren. Dieser Herausforderung stellte sich das Fraunhofer- Institut für Kognitive Systeme in Zusammenarbeit mit dem Robotik- und Logistik-Unternehmen Magazino GmbH.
Herausforderungen bei DevOps für cyber-physische Systeme
Das vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie geförderte Projekt »RoboDevOps – Kontinuierliche Entwicklung und Absicherung von autonomen, mobilen Robotersystemen« lief von Oktober 2020 bis September 2022. Das Ziel: autonome, mobile Roboter-Flotten (AMRs) schneller auf den neusten Stand zu bringen und ihre Funktionen zu erweitern. Im Gegensatz zu reinen Software-Anwendungen, sind Roboter oder eingebettete Systeme jedoch hochkomplex und von wesentlich mehr Faktoren abhängig. Die Expertinnen und Experten konnten drei zentrale Schwierigkeiten bei der Implementierung von DevOps-Prinzipien identifizieren:
- Kombination aus Hard- und Software (z.B. Interaktion zwischen Künstlicher Intelligenz, Sensoren und Aktoren)
- Unsicherheiten aufgrund der Einsatzumgebung (bspw. Interaktion mit Menschen)
- Verteilte Infrastruktur (z.B. Kombination aus Cloud- und lokalen Diensten)
Aufgrund dieser Interdependenzen erfordert jede Nachrüstung aufwendige Testzyklen, um die Softwarequalität und Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Somit ist es wesentlich schwieriger und zeitaufwändiger, eine ausreichende Testabdeckung zu erreichen und den Release-Prozess aller Funktionen zu strukturieren.
Magazino und Fraunhofer IKS forschen an der Übertragung von DevOps-Prinzipien auf die Robotik
Das Fraunhofer IKS kann eine umfassende Expertise in der DevOps-basierten Entwicklung von reiner Software sowie in den Forschungsfeldern Embedded Systems und KI nachweisen. Dadurch konnte es ein tiefes Verständnis für die Vorteile, die DevOps für die Robotik verspricht und die einzigartigen Herausforderungen, die dabei auftreten, beitragen. Durch häufigen Austausch und eine enge Kooperation konnte die praktische Expertise von Magazino mit den wissenschaftlichen Kompetenzen des Fraunhofer IKS kombiniert und spezifische Lösungen für die identifizierten Herausforderungen erarbeitet werden. Dabei konzentrierte sich das Projekt auf die folgenden Schwerpunkte:
- Verkürzung der Durchlaufzeit durch eine automatisierte Testauswahl und automatisierte Testverfahren
- Erhöhung der Testqualität durch die systematische Auswahl von Testszenarien, das Testen nicht-deterministischer Robotersysteme sowie die Entwicklung von Methoden und Metriken zur Bewertung der Verhaltensqualität
- Mehr Kontrolle, welche Software auf welchen Robotern installiert wird, anhand von Methoden zum kontrollierten Feature Roll-out und Release Management
- Laufzeitüberwachung und Analyse der Roboter im Feld, für Qualitätsmessungen und Erkenntnisse für nachfolgende Update-Zyklen
Praxistest auf realen Robotersystemen: DevOps ermöglicht virtuelle Testläufe und optimale Zusammenarbeit
Bisher mussten Software-Updates immer anhand von aufwendigen Probeszenarien in einer entsprechend ausgestatteten Testhalle erprobt werden. Durch die im Projekt entwickelten Verfahren und Tools lassen sich Testläufe zusätzlich in einer virtuellen Simulationsumgebung durchführen. So kann der Aufwand für die Testhalle auf die Durchführung von wenigen, kritischen Szenarien reduziert werden.
Neben den technischen Verbesserungen führte die Implementierung der DevOps-Prinzipien auch noch zu einer starken Veränderung des Mindsets im Projektteam und ausstrahlend davon im ganzen Entwicklungsteam. Durch das RoboDevOps-Projekt wurde die Zusammenarbeit zwischen den Teams auf mehreren Ebenen optimiert, von der Software-Entwicklung bis zu der Systembetreuung. Dies geschah zum einem durch die Schaffung einer gemeinsamen »Sprache« und eines Verständnisses für die Prozesse, und zum anderen durch das Entwickeln und Erproben von strukturierten, weitgehend automatisierten Abläufen.
Die im Projekt erarbeiteten Forschungsergebnisse sollen schließlich in den Softwareentwicklungsprozess von Magazino integriert werden. Es wird erwartet, dass dies zu einem schnelleren Rollout von besserer Software bei geringerem Ressourcenaufwand führt, sowie die Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit von Magazino.
Know-how-Aufbau für die Industrie
Deutschland verfügt bereits über eine starke Robotik-Industrie, die sowohl etablierte Unternehmen in den Bereichen Industrierobotik und mobile Robotik als auch diverse Startups und Ausgründungen aus Universitäten und Forschungszentren umfasst. All diese Parteien stehen vor der Herausforderung, die Flexibilität bei der Programmierung von Robotern zu erhöhen und gleichzeitig hohe Qualität zu gewährleisten. Das Verbundprojekt RoboDevOps erarbeitete Best Practices für die Entwicklung von Robotersoftware, die bei einem führenden deutschen Robotik-Unternehmen erprobt und validiert wurden, sowie eine Modellierungssprache, die das Durchführen von Testfällen in einer Simulationsumgebung ermöglicht.
Darüber hinaus ist auch für produzierende Unternehmen ein erheblicher Mehrwert entstanden: Viele dieser Unternehmen setzen bei intralogistischen Prozessen wie dem innerbetrieblichen Transport von Boxen oder Paletten zunehmend auf sogenannte Automated Guided Vehicles (AGVs). Einige dieser Unternehmen – insbesondere aus dem Bereich der Automobilindustrie und ihrer Zulieferer – bauen eigene Kompetenzen für die Entwicklung dieser autonomen Transportfahrzeuge auf. Somit profitieren auch diese traditionell starken Unternehmen sowohl von robusteren und ausgereifteren mobilen Robotersystemen als auch von verbesserten Software-Engineering-Produkten für die eigene Entwicklung von Robotersystemen.
DevOps für cyber-physische Systeme
Im Rahmen des Projekts, das im Oktober 2020 gestartet ist und bis September 2022 lief, haben das Fraunhofer IKS und die Magazino GmbH ein Whitepaper zu den Herausforderungen und Potenzialen von DevOps für die Entwicklung cyber-physischer Systeme herausgebracht. Darin beantworten die Forscherinnen und Forscher unter anderem, wie sich DevOps von der traditionellen Softwareentwicklung unterscheidet und wie DevOps-Prozesse mit Hinblick auf die Herausforderungen umgesetzt werden können.
Wenn Sie in Ihrem Unternehmen bereits selbst Erfahrungen mit DevOps gemacht haben oder an dem Thema interessiert sind, freuen wir uns, wenn Sie mit uns Kontakt aufnehmen.
Auch bei Fragen zum Projekt, seinen Forschungsfragen und -zielen können Sie sich gerne an die nebenstehenden Ansprechpartner wenden.
Das Projekt wurde durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie gefördert.