Fraunhofer FOKUS, SQC

Icon SDG9 Deutsch: Industrie, Innovation und Infrastruktur

Sustainable Development Goal 9 der Vereinten Nationen

CrESt

Collaborative Embedded Systems

01. Febr. 2017 bis 31. Jan. 2020

Bisher wurden klassische eingebettete Systeme, wie z. B. Steuergeräte im Auto, ausschließlich in bekannten und stabilen Umgebungen eingesetzt. Zukünftig sollen sie durch Ansätze kollaborativer Systemverbünde auch hoch automatisiert, also eigenständig, in deutlich variantenreicheren Einsatzgebieten mit offen Kontexten Verwendung finden. Im BMBF-Verbundprojekt »Collaborative Embedded Systems« (CrESt) wurde an der Weiterentwicklung eingebetteter Systeme hin zu modellbasierten kollaborativen Lösungen mit gesteigerter Flexibilität gearbeitet. Das Projekt, an dem 11 Industrie- und 12 akademische Partner beteiligt waren, endete nach drei Jahren Laufzeit am 31. Januar 2020.

Eingebettete Systeme sind fester Bestandteil unseres Alltags. Sie steuern den Airbag in unserem Auto, sorgen dafür, dass Flugzeuge sicher fliegen und die Produktion in der modernen Fabrik reibungslos funktioniert. Der gegenwärtige technologische Stand schränkt das Nutzungspotenzial jedoch erheblich ein. Die existierende Softwaretechnik ermöglicht einen Einsatz nur in vollständig bekannten und stabilen Umgebungen. Auf zum Entwicklungszeitpunkt nicht vorhersehbare Veränderungen der Umgebung kann die Software der Systemverbünde nicht reagieren. Darüber hinaus ist bei wesentlichen Entscheidungen eine zentrale – in der Regel menschliche – Steuerung unverzichtbar. Mit den technologischen Grenzen gehen Sicherheitsbedenken gegenüber einer zunehmenden Unabhängigkeit und Flexibilität einher. Fehler und Ungenauigkeiten bei der Entwicklung können zur Gefährdung von Menschen und zu wirtschaftlichen Schäden führen.

Ziele und Projektaufbau

Das Projekt CrESt zielt auf die Weiterentwicklung von klassischen eingebetteten Systemen zu kollaborierenden eingebetteten Systemen ab, deren Umgebung zur Entwurfszeit noch nicht vollständig antizipiert werden kann. Die Herausforderung besteht darin, dynamische Verbünde zur Aufgabenerfüllung in intelligenter Kooperation zu befähigen. Der Fokus verschiebt sich nach außen, vom Blick auf das Verhalten eines einzelnen Systems hin zum gesamten Systemverbund. Allein aus der Komplexität der einzelnen Systeme sowie der teilweise unbekannten Umgebung ergeben sich Fragen zur Adaptionsfähigkeit der Architekturen sowie zum Umgang mit einem unsicheren Kontext. Darüber hinaus sind neue Testverfahren notwendig, die umfassende Sicherheits- und Zuverlässigkeitsgarantien aussprechen.

Im Rahmen von CrESt soll ein wissenschaftlich fundiertes und zugleich praxiserprobtes methodisches Rahmenwerk zur Entwicklung hochautomatisierter kollaborierender eingebetteter Systeme geschaffen werden. Dies beinhaltet:

Die Analyse der Anforderungen an Konzepte, Techniken und komplementäre Werkzeuge,

eine darauf aufbauende Entwicklung der methodischen und werkzeugtechnischen Beiträge,

die Evaluation der methodischen Ergebnisse hinsichtlich Verbesserungspotenziale und eine anschließende Überarbeitung.

Grundlage für eine praxisnahe Forschung ist die Anwendung der entwickelten Methoden auf ausgewählte Fallstudien:

Kooperative Fahrzeugautomatisierung: Längs- und Querführung von PKW in einer Kolonne auf Grundlage eines Umfeldmodells, welches Radar-Informationen, eine digitale Karte, car2car-Kommunikation sowie verschiedene Sensoren berücksichtigt.
Wandelbare Fabriken: Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur Planung und Konfiguration von flexiblen Produktionsanlagen. Ein kollaborierendes System aus weitgehend unabhängig voneinander agierenden Produktionseinheiten soll eine individualisierte Fertigung bei optimaler Produktionsauslastung gewährleisten.
Verteilte Energieerzeugung: Entwicklung von dynamischen Software- und System-Architekturen, die bei minimalen Kosten die größtmögliche Zuverlässigkeit einer intelligenten Stromversorgung gewährleisten.
Kooperierende Transportroboter: Entwicklung eines kollaborierenden Flottenmanagements für hochautomatisierte Transportroboter. Die einzelnen Roboter sollen Aufträge durch intelligente Kooperation bearbeiten und so eine bessere Auslastung sowie höhere Zuverlässigkeit gewährleisten.

Die Softwaretechnik zum Bau der Fallstudien-Systeme wird modellbasiert konzipiert. Das langfristige Projektziel ist die Entwicklung von Modellierungsverfahren und -werkzeugen, die die notwendigen Systeme automatisch generieren. In mehreren Teilprojekten begleitet Fraunhofer FOKUS unter anderem:

Die Entwicklung von Analyseverfahren für Adaptive Systeme,
die Anforderungserstellung für Modellierungsansätze und Verfahren zur Berücksichtigung von Unsicherheiten,
die Anforderungserstellung für Methoden zur Verifikation und Validierung,
die Konzeption von Methoden zur Laufzeit-Validierung.

Weiterhin ist Fraunhofer FOKUS für die Arbeiten zum Module-Checking und Monitoring verantwortlich. FOKUS koordiniert zusammen mit dem Berliner Unternehmen InSystems die Feldstudie »Robotik« und übernimmt darüber hinaus als Teilprojekt-Koordinator die Leitung für die Fallstudien.

Einsatzfelder

Die im Projekt entwickelten Methoden eröffnen völlig neue Möglichkeiten für den Einsatz von Verbünden eingebetteter Systeme. Es ergeben sich Anwendungspotenziale in allen zentralen Industriezweigen:

Energieerzeugung
- Smart Energie mit intelligenten Netzen und Netzelementen
- Offshore-Windanlagen
- Gas- und Dampfturbinen

Infrastrukturlösungen
- Transport, smarte Produktion mit Robotik
- Automatisierungs- und Softwarelösungen für die Industrie (Industrie 4.0)

Medizintechnik
- Computertomographen und Magnetresonanztomographen
- Health Care Monitoring
- Labordiagnostik und klinische IT

Avionik
- Flottenwartung von zivilen Flugzeugen oder Satelliten
- Planung von Verkehrsrouten und Verkehrsflüssen am Flughafen und im Luftraum

Smart Mobility mit automatisiertem Fahren
Smart Home mit intelligenten Hausgeräten und Installationen
Smart Farming mit intelligenten Landmaschinen

Projektpartner und Förderung

Unter der Projekt-Gesamtleitung der TU München arbeiten 12 Forschungseinrichtungen und 11 Wirtschaftspartner, darunter sechs Unternehmen aus Berlin bzw. Brandenburg, zusammen. Das Projekt hat ein Gesamtvolumen von ca. 23 Millionen Euro und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms »IKT 2020 Softwareintensive eingebettete Systeme« mit etwa 15 Millionen Euro gefördert.

Ergebnisse

Im CrESt-Projekt konnten neue Architekturkonzepte für flexible, dynamisch gekoppelte und adaptive Systeme entwickelt werden. Flexible Systeme lassen sich für verschiedene Anwendungen einsetzen, während sich adaptive Systeme dynamisch an variantenreiche Anforderungen anpassen. Im Projekt wurden diese Architekturkonzepte in den Use Cases Kolonnenfahren von Fahrzeugen, flexible Fertigung, verteilte Energieerzeugung, sowie kollaborierende Transportroboter getestet.

Erste Ergebnisse des CrESt-Projekts konnten bereits die Besucher der CeBIT 2018 anhand eines Transportroboters erleben. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse in mehreren Publikationen vorgestellt.

CrESt war ein Folgeprojekt der SPES 2020 und SPES_XT Projekte, welche sich ebenfalls mit eingebetteten Systemen beschäftigten. Die Arbeiten aus CrESt werden nun im XIVT Projekt fortgesetzt.

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR OFFENE KOMMUNIKATIONSSYSTEME

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