Grey-Box-Modell Verschleiß und Manipulation: Elektronik soll sich selbst validieren können

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Sicherheitskritische elektronische Systeme in Automobilbau und der Bahn müssen vor Verschleiß und Manipulation sicher sein. Forscher arbeiten an einer Möglichkeit, wie sich komplexe Systeme selbst überwachen können. Die Einsatzgebiete lassen sich erweitern.

Sicherheitskritische Elektronik: Forscher arbeiten an einer Möglichkeit, wie sich komplexe elektronische Systeme selbst validieren können. Eine Testleiterplatte mit funktionalen Strukturen zur Erzeugung des digitalen Fingerabdrucks.
Sicherheitskritische Elektronik: Forscher arbeiten an einer Möglichkeit, wie sich komplexe elektronische Systeme selbst validieren können. Eine Testleiterplatte mit funktionalen Strukturen zur Erzeugung des digitalen Fingerabdrucks.
(Bild: Fraunhofer IZM)

Elektronik unterstützt uns im Alltag: Wir erwarten von einem Auto, dass es über viele Jahre hinweg fährt. Egal, ob bei Hitze oder Frost, bei Regen und Sturm. Dabei steckt in den Fahrzeugen zunehmend mehr Elektronik, die extremen Belastungen standhalten muss.

Bislang wird das Problem für sicherheitskritische Systeme in der Praxis häufig mit Überauslegung und Redundanzen gelöst: Elektronische Systeme oder Teile davon werden beispielsweise in zweifacher Ausführung verbaut, sodass beim Auftreten eines Fehlers die Stellvertreterelektronik übernehmen kann, bis das Problem behoben wird.

Elektronik überwacht sich selbst

Hybride Modelle kombinieren die Vorteile von physikalischen und datenbasierten Modellen.
Hybride Modelle kombinieren die Vorteile von physikalischen und datenbasierten Modellen.
(Bild: Fraunhofer IZM)

Forscher arbeiten an einer eleganteren, nachhaltigeren und energieeffizienteren Lösung: Im Fraunhofer Projekt „SesiM“ unter der Leitung von Siemens beschäftigen sich die Fraunhofer-Forscher zusammen mit weiteren Partnern aus den Feldern Mobilität und künstlicher Intelligenz am Beispiel von Auto und Bahn mit der Frage, wie sich komplexe elektronische Systeme selbst validieren können, also selbst evaluieren und mitteilen können, wie es um ihre Funktionstüchtigkeit steht – zum Beispiel über ein integriertes Ampelsystem.

Aus Schwarz und Weiß wird Grau

Den Schlüssel für eine effektive Selbstvalidierung von elektronischen Systemen sehen die Projektbeteiligten in sogenannten Grey-Box-Modellen. Diese heißen so, weil sie sowohl auf White-Box- als auch auf Black-Box-Ansätzen basieren.

Am Fraunhofer IZM beschäftigt man sich seit vielen Jahren intensiv mit der physikalischen Ebene von elektronischen Systemen. Mit ihrer Expertise bei der Konzeption und Messtechnik können die Forscher Modelle zur Zustandsbestimmung und -vorhersage erstellen, die auf physikalischen Prozessen basieren und beispielsweise Randbedingungen wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit mit modellieren.

Black Box: Komplexe elektronische Systeme

Da die Funktionsweise solcher Modelle gut nachvollziehbar ist, werden sie auch White-Box-Modelle genannt. Je komplexer elektronische Systeme werden, desto schwieriger wird es jedoch, sie rein auf der physikalischen Ebene ganzheitlich zu erfassen und zu überwachen.

Für datengetriebene Modelle, die Methoden künstlicher Intelligenz nutzen, sind komplexe Strukturen und riesige Datenmengen dagegen kein Problem. Was dabei innerhalb des Systems passiert, bleibt jedoch unklar – daher der Name Black-Box-Modell.

Von Testleiterplatten zu Prototypen

Bisher sind Grey-Box-Modelle in der praktischen Anwendung weitestgehend Neuland. Und so arbeiten auch die Forscher bei SesiM nach einer anfänglichen Konzeptionsphase derzeit mit der Beschreibung einfacher Schaltungen, die im Laufe des Forschungsprojekts immer weiter an Komplexität gewinnen werden.

Die Testleiterplatten werden während der Fertigung und im Betriebszustand aufs Genauste vermessen und getestet. „So generieren wir einen digitalen Fingerabdruck unserer Testschaltung“, erklärt Dr. Johannes Jaeschke, Elektrotechniker und Leiter des Teilprojekts von Seiten des Fraunhofer IZM. Dabei werden auch Daten unter extremen Randbedingungen erhoben.

Im nächsten Schritt gilt es, innerhalb der riesigen Datenmengen die Parameter zu identifizieren, die für die Darstellung des Systems auch wirklich relevant sind, um daraus dann unter Berücksichtigung des physikalischen Wissens ein Modell zu erstellen, das Abweichungen von einem vorher festgelegten Idealzustand erkennt. Manipulationen von außen sollen damit schnellstmöglich erkannt und Verschleißerscheinungen frühzeitig vorhergesagt werden. Zu späteren Zeitpunkten im Projekt werden die Testleiterplatten dann in Prototypen in der Automobil- und Bahnanwendung überführt und die erstellten Modelle auch anhand dieser ausführlich evaluiert.

In Zukunft könnte das eigene Auto über ein integriertes intelligentes System frühzeitig eine Warnmeldung anzeigen, wenn sich ein Problem in der Elektronik zeigt, und eine Selbstdiagnose stellen. Automechaniker wiederum könnten bei Wartungsarbeiten am Wagen alle vom Fahrzeug gesammelten Informationen über dessen Zustand auslesen und anhand dessen gezielte Reparaturmaßnahmen einleiten.

Nächste Themen: Luftfahrt und Medizintechnik

Ein Folgeprojekt am Fraunhofer IZM wird sich mit dem Thema Luftfahrt beschäftigen. Aber auch außerhalb des Mobilitätsbereichs sind Anwendungen denkbar, beispielsweise in der Medizintechnik oder bei entlegenen Windrädern, die für eine regelmäßige externe Überwachung und vorsorgliche Wartungen nur schwer zugänglich sind.

Vorrangiges Ziel von SesiM ist es aber zunächst nachzuweisen, dass das Grundprinzip der Selbstvalidierung elektronischer Systeme mithilfe von Grey-Box-Modellen auch tatsächlich funktioniert. Jaeschke glaubt fest an die Idee: „Gelingt uns dies, wird unser Ansatz maßgeblich dazu beitragen, die Zuverlässigkeit von elektronischen Systemen zu erhöhen. Gerade in der sicherheitskritischen Mobilität ist es wichtig und würde das Ansehen von in Deutschland entwickelter Automobil- und Bahntechnik weiter stärken.“

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