Gastkommentar Prof. Knorr, Fraunhofer ESK Verlässliche Kommunikation als Basis für adaptive Systeme

Adaptive Systeme werden in Zukunft unseren Alltag erleichtern, dazu benötigen wir jedoch eine verlässliche und effiziente Kommunikationstechnik.

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Seit Jahren erobert die Digitalisierung immer weitere Branchen und hat einen Grad erreicht, der einen Umbruch bewirkt in der Art, wie wir leben und arbeiten. Digitale Prozesse und Daten werden zudem autonomer vernetzt – auch system- und branchenübergreifend. Das hat zur Folge, dass Systeme, deren Wertschöpfungsketten bisher unabhängig abliefen und die nur an wenigen Schnittstellen aneinanderstießen, jetzt umfassend vernetzt werden. Damit müssen bereits in den einzelnen Wertschöpfungsketten unterschiedliche Industrien miteinander arbeiten, Daten austauschen und ihre Prozesse aneinander anpassen. Das bedeutet auch, dass sich bisher abgeschottete und dadurch sichere Systeme öffnen müssen.

Damit die Vorteile eines frühzeitigen Datenaustauschs nicht in angreifbaren Systemen resultieren, müssen die Kommunikationsstrukturen per se noch sicherer werden. Eine besondere Herausforderung sind dabei eingebettete Systeme, charakterisiert durch begrenzte Ressourcen etwa bei Energie, Prozessorleistung und Schnittstellen. Deren Vernetzung zu Cyber-Physical-Systems wird aber immer wichtiger, denn sie bilden die Grundlage unserer intelligenten Infrastrukturen in Fahrzeugen, im Stromnetz oder in der Produktion.

Damit diese Vernetzung komplexer Systeme beherrschbar bleibt, braucht es neue, adaptive Methoden. Adaptiv bedeutet dabei, dass sich das System selbst an unterschiedliche Situationen und Gegebenheiten anpasst, umfassender und schneller, als ein Mensch dies könnte. Die Parameter für das adaptive Verhalten kommen aus diversen Quellen: eigene und vernetzte Sensordaten, die Funktionstüchtigkeit der eigenen Hardware oder die Verfügbarkeit von Kommunikationsinfrastrukturen. Dabei muss immer gewährleistet bleiben, dass der Mensch die Entscheidung der Maschine mit steuern kann.

In der Praxis sind dies zum Beispiel intelligente Bremsassistenten im Fahrzeug, die – wenn der Fahrer selbst nicht mehr schnell genug reagieren kann – von sich aus bremsen. Ein anderes Beispiel betrifft die Energienetze, in denen Energieerzeugung- und -bedarf sehr dynamisch werden und damit genau abgestimmt werden müssen, da der Anteil an erneuerbaren Energiequellen zunimmt.

Die Beispiele zeigen, dass an die Vernetzung autonomer Systeme enorme Anforderungen gestellt werden. Sie müssen sicher in ihrer Netzwerk- und Kommunikationsarchitektur sein, effizient mit Ressourcen – Energie, Bandbreite, Prozessorleistung – umgehen und sich orts- und kontextsensitiv, dynamisch der vorliegenden Situation anpassen. Zudem müssen sie die Daten nicht nur zuverlässig übertragen, sondern sie auch zuvor aggregieren und qualifizieren, um die Netze nicht zu überlasten. Zuletzt müssen sie auch standardisiert und kompatibel sein, wozu sich aus heutiger Sicht die TCP/IP-Protokollfamilie gut eignet, auch wenn sie um Eigenschaften wie Echtzeitfähigkeit und Dienstgüte erweitert werden muss.

Gleichzeitig bedeutet Adaptivität auch eine ganz neue Herangehensweise an die Softwareentwicklung. Adaptivität muss bereits im Entwurfs- und Designprozess betrachtet werden, was neue Konzepte im Entwurf von verteilten Diensten und der Verteilung von Funktionalität in vernetzten Systemen erfordert. Derzeit werden Features und Aspekte eines Systems, auch Variabilität genannt, im Entwurf festgelegt und können zur Laufzeit nicht angepasst werden. Ein anderer Aspekt sind Systeme, die ihre Fehler selbst beheben. So erforscht ein Konsortium aus Industrie und Wissenschaft unter Leitung des Fraunhofer ESK im EU-Projekt SafeAdapt, wie Entwickler Software so entwerfen können, dass Störungen auch im laufenden Betrieb vom System selbständig kompensiert werden.

Ob es darum geht, die Kommunikationstechniken zuverlässiger, effizienter und robuster zu machen, oder die sie nutzenden Systeme adaptiv auszulegen – damit Anwendungen wie das automatisierte Fahren möglich werden, müssen Wissenschaft, Wirtschaft und Forschungsförderung an einem Strang ziehen.

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