Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKSCyber-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.
Success Story: Resiliente Plattformen für autonome Systeme
Sicherheitskritische Funktionen aus der Cloud?
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.
Herausforderungen Cloud-basierter Systeme am Beispiel des Automated Valet Parking
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Wenn sicherheitsrelevante Funktionen in die Cloud ausgelagert werden, ist die Verbindungsqualität zur Cloud entscheidend. Wie kann ein Cloud-basiertes System mit Verbindungsabbrüchen umgehen und dabei so effizient wie möglich weiterlaufen, ohne seine Sicherheitsanforderungen zu verletzen? Zusammen mit Industriepartnern hat das Fraunhofer IKS die Auswirkungen von Verbindungsverlusten auf Cloud-basierte Systeme am Beispiel eines automatisierten Parkservice für Fahrzeuge (Automated Valet Parking, AVP) untersucht.