Success Story: Resiliente Plattformen für autonome Systeme

Cyber-Physical Systems vernetzen sich: Eingebettete Systeme agieren künftig nicht mehr eigenständig, sondern sind Teil eines Ökosystems solcher Systeme und bilden somit ein Cyber-Physical-System-of Systems (CPSoS). Die Interaktion zwischen den einzelnen Systemen läuft über die Cloud- und Server-Infrastruktur. Szenarien für die praktische Anwendung solcher CPSoS reichen vom Management von Baumaschinen auf Großbaustellen bis zum Lagermanagement samt Steuerung des Warenflusses, der von autonomen Transportsystemen abgewickelt wird. Hitachi und das Fraunhofer IKS haben im vorliegenden Projekt eine resiliente Architektur für solche Cloud-basierten Steuerungssysteme entwickelt – am Beispiel eines automatisierten Parkservices für Fahrzeuge (Automated Valet Parking) im Parkhaus.

Sicherheitskritische Funktionen aus der Cloud?

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Die Verlagerung von Funktionen auf die Cloud-basierten Server bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich: Zum einen steht dem System insgesamt mehr und kostengünstige Rechnerleistung zur Verfügung. Auch Wartung und Service für den Nutzer der Lösung werden einfacher. Aber: Unter welchen Umständen lassen sich sicherheitskritische Funktionen – hier die automatisierte Navigation von Fahrzeugen zu einem freien Platz im Parkhaus – zuverlässig auf Cloud-Servern betreiben? Wie verhält sich das System, wenn ein Service in der Cloud nicht mehr richtig läuft oder wenn Fehler durch Verbindungsabbruch entstehen?

Auf diese Probleme muss das System zuverlässig und in Echtzeit reagieren. Und nicht nur das: Zu diesen Sicherheitskriterien kommt als weitere wesentliche Herausforderung hinzu, die Leistungsfähigkeit des Systems eigenständig zu optimieren. Das heißt: Das System muss jederzeit die Sicherheitsanforderungen erfüllen — und gleichzeitig effizient und idealerweise optimal funktionieren.

 

Hitachi und Fraunhofer IKS entwickeln Entwurfsmethodik für resiliente Architekturen Cloud-basierter Steuerungssysteme

In einer Forschungskooperation haben Hitachi und das Fraunhofer IKS eine Methodik entwickelt, wie eine Cloud-basierte Lösung erstellt werden kann, welche die genannten Kriterien erfüllt. Dabei fiel Hitachi die Aufgabe zu, die aus Industriesicht am wichtigsten Anwendungsfälle zu definieren. Die Partner entschieden sich schließlich für einen automatisierten Parkservice für Fahrzeuge (Automated Valet Parking, AVP) im Parkhaus.

Für dieses Szenario entwarfen Hitachi und das Fraunhofer IKS zunächst ein Architekturdesign. Daraus abgeleitet wurden die Anforderungen an das Steuerungssystem, aber auch seine potenziellen Schwachstellen.
Um die  Sicherheits-Herausforderungen effizient zu lösen,  hat das Fraunhofer IKS im Rahmen der Zusammenarbeit ein Monitoring & Recovery Concept entwickelt. Dieses erfüllt vor allem drei wesentliche Aufgaben:

  • Überwachung der relevanten Systemeigenschaften
  • Definition von Plänen zur Wiederherstellung der Funktionen im Fehlerfall, etwa bei Verbindungsabbruch und
  • Gewährleistung der Sicherheit bei gleichzeitig verbesserter Effizienz.

Darüber hinaus hat das Fraunhofer IKS eigens eine Simulationsumgebung für die Analyse und Evaluierung des Systems erstellt.

Entwurfsmethodik lässt sich auf andere Anwendungen übertragen

Am Ende des Projekts stand eine Entwurfsmethodik für ein sicheres und effizientes Cloud-/Server-basiertes Steuerungssystem. Diese Entwurfsmethodik konnte zudem bereits im Projekt evaluiert werden. Auch wenn dabei der Use Case AVP im Mittelpunkt stand, lässt sich diese Entwurfsmethodik auch auf andere Anwendungsszenarien übertragen.

Unsere Kompetenzen und Lösungen

Ihr Kundenvorteil

  • Unterstützung bei der Realisierung von Cloud-gestützten Systemen in sicherheitskritischen Anwendungen
  • Entwicklung von CPSoS für verschiedene Anwendungen, vom Architekturentwurf bis zur Evaluierung
  • Anwendung von Forschungsergebnissen in praktischen, marktreifen Lösungen im Rahmen einer kooperativen Projektarbeit

Kundenstatement

»Die Zusammenarbeit mit den Forschern des Fraunhofer IKS hat unsere Erwartungen mehr als erfüllt. Das gilt sowohl für die Ergebnisse als auch für den ständigen Austausch mit den Wissenschaftlern des Instituts. Gerade die Expertengespräche waren für uns sehr wichtig, um die komplexe Thematik zu verstehen. Die Kolleginnen und Kollegen im Projekt zeigten sich aufgeschlossen und flexibel in ihren Reaktionen auf unsere Anfragen. Deshalb haben wir auch beschlossen, unsere Zusammenarbeit in diesem Jahr bei einem weiteren Projekt fortzusetzen.«