DIE LOKOMOTIVE ALS CYBER-PHYSISCHES SYSTEMreuschling.de/fileadmin/user_upload/Die_Lokomotive_als_CPS.pdf · 23.06.2017 | Die Lokomotive als cyber-physisches System | Julian Franzen

23.06.2017 | Die Lokomotive als cyber-physisches System | Julian Franzen

Hausmesse Reuschling, Hattingen

23.06.2017

DIE LOKOMOTIVE ALS CYBER-PHYSISCHES SYSTEM

Julian Franzen M. Sc.

Ruhr-Universität Bochum – Lehrstuhl für Produktionssysteme

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

E-Mail: [email protected]


AGENDA

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1. Einleitung – Grundlagen - Anwendungsgebiete

2. Die Lokomotive als CPS?

3. Fazit


WAS SIND CYBER-PHYSISCHE SYSTEME (CPS)?

Quelle: [Lee2008],[Acatech2012],[VDI2013] 3

Schlagwort aus den USA im Kontext der fortschreitenden industriellen Automatisierung

Keine einheitlich gültige Definition eines CPS, stattdessen Definition über Beschreibung, welche Eigenschaften ein CPS charakterisieren

Erstmalige Veröffentlichung des Wortes CPS von E. A. Lee, 2008:

“Cyber-Physical Systems (CPS) are integrations of computation with physical processes. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, usually with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa.”

Forschungsagenda CPS, 2013:

„Cyber-Physical Systems (CPS) sind gekennzeichnet durch eine Verknüpfung von realen (physischen) Objekten und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze.“


„Cyber-Physical Systems (CPS) sind gekennzeichnet durch eine Verknüpfung von realen (physischen) Objekten und Prozessen mit informationsverarbeitenden (virtuellen) Objekten und Prozessen über offene, teilweise globale und jederzeit miteinander verbundene Informationsnetze.“

Bedeutet vereinfacht:

Reale physische Gegenstände werden mit Sensorik und internetfähigen Mikrokontrollern ausgestattet und vernetzt

– Reale physische Gegenstände können somit in das Internet eingebunden werden

– Stellen mit Hilfe ihrer Identität und ihrer Echtzeitdaten eine cyber-Repräsentation ihrer physischen Erscheinung dar

– Können durch dezentrale Rechenkapazität und vorhandene Daten eine eigene Intelligenz aufweisen

Es entsteht ein Internet der Dinge (IoT)

WAS SIND CYBER-PHYSISCHE SYSTEME (CPS)?

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VORTEILE UND AKTUELLE EINSATZGEBIETE

[LPS2017],[acatech2012] 5

Vorteile

– Visualisierung und Nutzung der Daten und Strukturen der CPS für die intelligente Auswertung und Optimierung (smarte Produkte)

– Erweiterung der Systemgrenzen auf bisher nicht betrachtete Elemente, Zusammenschluss mehrerer Gesamtsysteme zur Eröffnung neuer Potenziale

– Offene Architektur – Nachträgliche Erweiterung möglich

Benötigte Technologien

– Echtzeitfähige Embedded Systems

– Verteilte Sensornetzwerke

– Mobilfunknetz

– …

Anwendungsfelder von cyber-physischen Systemen:

– Energieversorgungsmanagementsysteme - Smart Grids

– „E-Health“-Systeme, altersgerechte Assistenzsysteme

– Produktionssysteme: industrielle Prozesssteuerungs- und Automationssysteme –Smart Factories

SMART? Smarte Produkte begegnen uns bereitsheute häufig im Alltag.Definitionsgemäß ist unter einemsmarten Produkt die Kombination auseinem cyberphysischen Produkt miteiner internetbasierten Dienstleistungzu verstehen

2015 sind bereits 15 Milliarden GeräteTeil des integrierten Internets,spätestens 2020 werden nachaktuellen Prognosen 50 MilliardenGeräte im integrierten Internetvernetzt sein.


CPS - PRODUKTIONSSYSTEME

Quelle: [Kagemann2013] 6

Eigene Wortneubildung: CPPS – Cyberphysische Produktionssysteme

Unterscheidung zwischen zwei „Integrationsrichtungen“

– Vertikale Integrationüber die einzelnen Unternehmensebenen steigert die Effizienz des Unternehmens

– Horizontale Integrationüber Wertschöpfungsnetzwerke führt zu einer Integration von Lieferanten, Unternehmen und Kunden


AGENDA

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3. Fazit


LOKOMOTIVE – CPS?

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Wie lässt sich die Lokomotive sinnhaftig als CPS interpretieren? Welche Vorteile ergeben sich?

Betrachtung der horizontalen und vertikalen Integration:

– Vertikale Integration über die einzelnen Lokomotivkomponenten – Steigerung der Produktivität/Effizienz des Fahrzeugs

– Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke führt zu einer Integration von Lieferanten, Unternehmen und Kunden

Ist die Lokomotive ein CPS oder ist die Lokomotive Teil eines CPS?

Motor

Bremse

Strömungs-getriebe

Zentrale Steuerung

Kom-pressor

Lüfter

Meta-daten


LOKOMOTIVE – CPS?

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Wie lässt sich die Lokomotive sinnhaftig als CPS interpretieren? Welche Vorteile ergeben sich?

Betrachtung der horizontalen und vertikalen Integration:

– Vertikale Integration über die einzelnen Lokomotivkomponenten – Steigerung der Produktivität/Effizienz des Fahrzeugs

– Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke führt zu einer Integration von Lieferanten, Unternehmen und Kunden

Ist die Lokomotive ein CPS oder ist die Lokomotive Teil eines CPS?

Infra-struktur

Unter-nehmen

Ver-braucher

Lokomotive

Waggon

…

Kunde


VERTIKALE INTEGRATION

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Zentrale Steuerung

Antriebsstrang

MotorStrömungs-

getriebeBremse

MMS

Weitere Komponenten

Sensorik

Was ist zu tun, um fahrzeugbezogen zur CPS-Lok zu gelangen?

Typische HW-Architektur einer (Bestands-)Rangierlokomotive

– Zentrale Steuerung – herkömmliche SPS- oder objektorientierte Programmierung

– Anbindung an den Antriebsstrang zur Leistungssteuerung

– Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS)

– Isolierte / nicht IT- / IoT-fähige Systeme

Status Quo:

– Ist die Lokomotive in dieser Form CPS-fähig?

– Enabler:

• Komponenten müssen „sprechen lernen“

• Komponenten müssen Teil des Internets werden

• Komponenten müssen eine Intelligenz erlangenMikrocontroller


VERTIKALE INTEGRATION

Quelle: [WLH2017] 11

CPS-Lok aus einzelnen intelligenten Lokomotiv-Komponenten

Motor

Bremse

Strömungs-getriebe

Zentrale Steuerung

Kom-pressor

Lüfter

Meta-Daten


CPS-Lokomotivdaten im Internet verfügbar,

Grundlage für die smarte Lokomotive ist geschaffen

Enabler für neue Dienstleistungen und Geschäftsmodelle!

Art der Dienstleistungen entscheidet darüber, welche Komponenten Teil des CPS werden (überwiegend ökonomische Entscheidung)

SMARTE LOKOMOTIVE

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Internet/Cloud


CPS-BASIERTE DIENSTLEISTUNGEN

Quelle: [worldpress2017] 13

Erschaffung eines Digitalen Zwillings

– Hinterlegung eines Lokomotiv-Modells

– Hinterlegung eines visuellen digitalen Abbilds (CAD-Modell)

– Dokumentation und Visualisierung der Komponentendaten

– Ermöglicht:

• Nachvollziehbarkeit des Betriebs

• Dokumentationspflichten

• Intelligenz

– Erhöhte Verfügbarkeit, geringere Instandhaltungskosten,

– Nutzung der Daten zur Optimierung der Wartung (Intelligenz)

• Simulation/Virtuelle Inbetriebnahmen

• Skalierbarkeit

Augmented Reality

– Intelligente Komponenten teilen mit, dass eine Wartung/Instandsetzung von Nöten ist

– Schnittstelle zur Augmented Reality

– Ermöglicht:

• Zielgerichtete Aktivitäten durch Anleitung/Unterstützung des Werkers durch Hinführung zur Komponente und automatisierter Bereitstellung von Dokumentation und Ersatzteilen

• Reparatur-/Wartungsmöglichkeiten im Feld


VERTIKALE INTEGRATION – STATUS QUO

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Betrachtungsfokus sorgfältig auswählen

– Hardware ist vorhanden, Fokus ist von Ökonomieaspekt abhängig

Methodische Grundlagen aus Kontext des Internets der Dinge aus Disziplinen wie der Produktionstechnik sind vorhanden und etabliert oder auf dem Weg dorthin und können adaptiert werden

– RAMI 4.0-Referenz-Modell

– …

Herausforderung liegt darin, bahnspezifische Intelligenz zu erzeugen und nutzbar zu machen (hoher Engineering-Aufwand)

Technologischer Standort:

Grundlagenforschung

Anwendungsforschung

Serienreifet


CPS - fahrzeugseitig

HORIZONTALE INTEGRATION

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CPS-Integration in die gesamte Wertschöpfungskette? Kann die CPS-Denkweise ein Schlüssel zum (teil-)autonomen Fahren sein?

Überlegung: welche Informationen benötigen wir zum autonomen Fahren?

Kenntnis über sich selbst

-Gespanndynamik

Kenntnis über unsere direkte Umgebung

-Umgebungsabbild

Kenntnis über Infrastruktur und

andere Teilnehmer

Intelligenz undSensorik


CPS - Transportsystem


anderer CPS

Kenntnis über Kunden- und

Zugangsrestrik-tionen

Global verfügbare

Informationen

CPS - Logistiksystem

Daten aus ganzheitlichem CPS-Logistiksystem


Herausforderung: Bereitstellen der Daten und anschließende Überführung in ein hochkomplexes Modell zur optimalen Handlungsableitung zur Erreichung der smarten Bahntransportlogistik auf Basis des autonomen Fahrens?

Betrachtung zeigt, dass Beherrschung der vertikale Integration Voraussetzung für horizontale Integration ist

CPS-Logistiksystem kann wiederum Teil des anfänglich vorgestellten CPPS sein

Wo sind die Grenzen eines CPS?

HORIZONTALE INTEGRATION

Quelle: [Kagemann2013] 16


AGENDA

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3. Fazit


POTENZIALE UND HERAUSFORDERUNGEN

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Potenziale:

– Physisch: offene Architektur, beliebig erweiterbar

– fahrzeugseitig: Dokumentation, Optimierung des Betriebs und der Instandhaltung, Digitaler Zwilling, Assistenzsysteme „Augmented Reality“

– Übergeordnet: Optimierung der kompletten Wertschöpfungskette, Methodischer Rahmen für autonomes Fahren von Schienenfahrzeugen?

– Wir stehen erst am Anfang: Digitalisierung findet statt, wir haben die Möglichkeit sie innerhalb unseres Aktionsradius mitzugestalten

– Wir beginnen nicht auf der grünen Wiese, sondern können auf die Erfahrungen anderer Disziplinen zurückgreifen

Herausforderungen

– Monetär: Digitalisierung kostet Geld

– Cybersicherheit

– Programmierung von künstlicher Intelligenz auf Basis von neuronalen Netzen und Deep Learning erfordert Umdenken

– Rechtlich: wie werden CPS und deren Intelligenz zugelassen (was ist der Unterschied zu klassischen SPS-Zulassungen und der Nachweis der Sicherheit von auf künstlicher Intelligenz basierenden CPS)

• Wesentliche Punkte: Kommunikation, Ausfallsicherheit, Testverfahren für künstliche Intelligenz

• reichen vorhandene Regelwerke noch aus?

– Regelwerke zum Betrieb: wer trägt die Verantwortung für den Betrieb

– Akzeptanz: autonomes Agieren für Menschen unbekannt – Parallele Auto

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VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT

Kontakt:

Julian Franzen M. Sc.Ruhr-Universität Bochum – Lehrstuhl für ProduktionssystemeWissenschaftlicher MitarbeiterE-Mail: [email protected].: 0234 – 32 29848

mailto:[email protected]

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