Cyber-Physical Systems (eBook)

Prof. Dr. Dr. h.c. Manfred Broy lehrt am Institut für Informatik der Technischen Universität München

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Table of Contents 4
> GRUSSWORT
> EINLEITUNG
> CYBER-PHYSICAL SYSTEMS – WISSENSCHAFTLICHE HERAUSFORDERUNGEN BEI DER ENTWICKLUNG
1 DIE DIGITALE REVOLUTION 13
1.1 INNOVATION DURCH EINGEBETTETE SOFTWARE 13
1.2 WAS TREIBT DIE DIGITALE REVOLUTION? 15
> 1.2.1 Das Mooresche Gesetz
> 1.2.2 Flexibilität durch Software
1.3 DAS BESONDERE AN SOFTWARE 16
2 CYBER-PHYSICAL SYSTEMS 17
2.1 SPEZIFIKA VON CPS 17
2.2 AUSPRÄGUNGEN VON SYSTEMEN MIT EINGEBETTETER SOFTWARE 19
2.3 ZWIEBELSCHALENARTIGE STRUKTUR VON CPS 19
3 WISSENSCHAFTLICHE HERAUSFORDERUNGEN 20
3.1 ANALOGE UND DIGITALE WELT 20
3.2 DIE VISIONEN 21
3.3 WISSENSCHAFTLICHE HERAUSFORDERUNGEN FÜR CPS 22
3.4 DAS ZIEL 23
3.5 WISSENSCHAFTLICHE HERAUSFORDERUNGEN 23
3.6 ANWENDUNGSDOMÄNEN 24
3.7 DAS ZIEL 24
4 CPSs ÄNDERN UNSERE MÖGLICHKEITEN ... 25
4.1 DIE SCHIER UNBEGRENZTE EINSATZBREITE ... 25
4.2 CPSs BENÖTIGEN ÜBERGREIFENDE LÖSUNGEN 25
4.3 SOFTWARE IST ÜBERALL 26
5 DER WEG IN DIE ZUKUNFT 26
LITERATUR 27
> INNOVATION IM MITTELSTAND AM BEISPIEL DER SEN KUNGVON MOBILITÄTSKOSTEN DURCH „SCHWARMIN TELLIGENZ“
1 MOTIVATION 28
2 WAS IST SCHWARMINTELLIGENZ? 30
3 CYBER-PHYSICAL SYSTEMS: WEGBEREITER FÜR „SCHWARMINTELLIGENZ“ 31
4 ANWENDUNGSBEISPIELE AUS VERKEHR UND INFRASTRUKTUR 36
4.1 INTELLIGENTES KREUZUNGSMANAGEMENT 36
4.2 IDENTIFIZIERUNG MÖGLICHER FAHRGEMEINSCHAFTEN 37
4.3 PRÄDIKTION UND AKTIVE VERMEIDUNG VON STAUSITUATIONEN 38
4.4 VERNETZUNG MOBILER ENDGERÄTE UND CAR2X 42
4.5 VERNETZTE FAHRERASSISTENZSYSTEME 43
4.6 SMART GRID 47
5 WELCHE POTENTIALE GIBT ES IM HINBLICK AUF DIE SENKUNG VON MOBILITÄTS KOSTEN? 48
6 WAS MÜSSEN WIR TUN, UM CYBER-PHYSICAL SYSTEMS MÖGLICH ZU MACHEN? 49
7 DER LEISTUNGSBEITRAG DES MITTELSTANDS 50
LITERATUR 51
> DIE WIRTSCHAFTLICHE BEDEUTUNG VON CYBERPHYSICALSYSTEMS AUS DER SICHT EINES GLOBALPLAYERS
NACHHALTIGKEIT – GRUNDLAGE UNSERES HANDELNS 54
DIE BEDEUTUNG VON CYBER-PHYSICAL SYSTEMS FÜR DIE SIEMENS AG 54
CHARAKTERISTIKA VON EMMBEDDED SYSTEMS BEI SIEMENS 56
DIE BEDEUTUNG VON CYBER-PHYSICAL SYSTEMS FÜR SIEMENS SEKTOREN 57
DER SEKTOR INDUSTRIE 57
DER SEKTOR GESUNDHEIT 57
DER SEKTOR ENERGIE 58
SMART GRID 58
ZUSAMMENFASSUNG 60
> NATIONALE ROADMAP EMBEDDED SYSTEMS
DEUTSCHLAND – ZEHN THESEN 62
> These 1
> These2
> These3
> These 4
> These 5
> These 6
> These 7
> These 8
> These 9
> These 10
2 SCOPE DER ROADMAP 65
3 BEDEUTUNG VON EMBEDDED SYSTEMS FÜR DEUTSCHLAND 68
4 BEITRÄGE ZUR LÖSUNG GESELLSCHAFTLICHER UND ÖKONOMISCHER HERAUS FORDERUNGEN 74
4.1 ALTERNDE GESELLSCHAFT UND GESUNDHEIT 74
> 4.1.1 Szenario 1: Selbstständiges und eigenverantwortetes Leben im Alter
> 4.1.2 Szenario 2: Flächendeckende gesundheitliche Betreuung
> 4.1.3 Szenario 3: Leben mit chronischen Krankheiten
> 4.1.4 Szenario 4: Soziale Vernetzung
4.2 MOBILITÄT 78
> 4.2.1 Szenario 1: Green Mobility
> 4.2.2 Szenario 2: Die Vision vom unfallfreien Fahren
> 4.2.3 Szenario 3: Unterstützung von älteren Menschen
4.3 SICHERHEIT 80
> 4.3.1 Safety: Funktionale Sicherheit kritischer Systeme
> 4.3.1.1 Transportsysteme
> 4.3.1.2 Automatisierung
> 4.3.1.3 Medizin
> 4.3.2 Sicherheit zum Schutz der Bevölkerung: Security
> 4.3.2.1 Szenario 1: Privacy of Data
> 4.3.2.2 Szenario 2: Crisis Management
> 4.3.2.3 Szenario 3: Der Flughafen der Zukunft
4.4 UMWELT UND ENERGIE 86
> 4.4.1 Szenario 1: Naturkatastrophen vorhersagen
> 4.4.2 Szenario 2: Schutz und Minimierung des Verbrauchs von natürlichen Ressourcen
4.5 WISSENSGESELLSCHAFT 88
> 4.5.1 Szenario 1: Ferngestützte Diagnose
4.6 GLOBALISIERUNG 89
> 4.6.1 Szenario 1: Verbesserung der Lebensqualität in Entwicklungs- und Schwellen ländern
> 4.6.2 Szenario 2: Delivery on Demand im Zeitalter der Globalisierung
> 4.6.3 Szenario 3: Fabrik der Zukunft
4.7 URBANISIERUNG 90
> 4.7.1 Szenario: Smart City
> 4.7.1.1 Bürgernahe Anwendungen
> 4.7.1.2 Logistische Anwendungen
> 4.7.1.3 City-Management
5 FORSCHUNGSPRIORITÄTEN 92
5.1 TECHNOLOGIEINNOVATIONEN 93
> 5.1.1 Computing devices der Zukunft
> 5.1.2 Ressourcenoptimierende Technologien
> 5.1.3 Referenzarchitekturen für Eingebettete Systeme
> 5.1.4 Sichere und geschützte Eingebettete Systeme
> 5.1.5 Vernetzte Regelungen
> 5.1.6 Funktionale Sicherheit Eingebetteter Systeme
> 5.1.7 Kognitive Eingebettete Systeme
> 5.1.8 Innovative Interaktionsschnittstellen
> 5.1.9 Kooperative Eingebettete Systeme
5.2 PROZESSINNOVATIONEN 100
> 5.2.1 Requirements Engineering
> 5.2.2 Architektur – Entwurf und Bewertung
> 5.2.3 Systemanalyse
> 5.2.4 Modellgetriebene Entwicklung
> 5.2.5 Systematische Wiederverwendung
> 5.2.6 Menschen-zentrierter Entwurf
> 5.2.7 Life Cycle Management
> 5.2.8 Prozessautomatisierung
> 5.2.9 Prozessorganisation
6 EMPFEHLUNGEN 109
6.1 PRIORITÄRE STRATEGIELINIEN 109
> 6.1.1 Seamless Interaction
> 6.1.2 Autonome Systeme
> 6.1.3 Verteilte Echtzeit-Situationserfassung und Lösungsfindung
> 6.1.4 Sichere Systeme
> 6.1.5 Architekturprinzipien
> 6.1.6 Virtual Engineering
6.2 ROADMAP 120
6.3 FORSCHUNGSFÖRDERINSTRUMENTE 120
6.4 WEITERE EMPFEHLUNGEN 120
7 ANHANG 122
7.1 MITGLIEDER DES STEUERKREISES 122
7.2 MITGLIEDER DES EXPERTENKREISES 122
7.3 WEITERE MITWIRKENDE 124
7.4 QUELLEN 124
7.5 GLOSSAR 129
> AUTORENVERZEICHNIS
> acatech – DEUTSCHE AKADEMIE DER TECHNIKWISSENSCHAFTEN
> acatech DISKUTIERT
BISHER SIND IN DER REIHE „acatech DISKUTIERT“ FOLGENDE BÄNDE ERSCHIENEN: 135