itsowl-IV: Clusterquerschnittsprojekt Intelligente Vernetzung

Intelligente Technische Systeme werden in Zukunft in zunehmendem Maße in den unterschiedlichsten Anwendungen und Prozessen zu finden sein (Smart Factory, Smart Grid, Automobil, Gebäudeautomation, etc.). Dort sollen sie sich eigenständig vernetzen, untereinander autonom kom­mu­ni­zie­ren und ihren Zustand verlässlich ermitteln können. Die gesamte Integration sollte zukünftig idealerweise selbstkonfigurierend als Plug-and-play-Verfahren ohne jegliche Benutzerinteraktion erfolgen, um die zeitaufwendige und fehleranfällige manuelle Konfiguration der Systeme zu vermeiden. Neben der Selbstkonfiguration gewinnen die Zustandsdiagnose und Qualitätsüberwachung von komplexen, vernetzten Systemen basierend auf Sensor- und Informationsfusion zunehmend an Bedeutung, um die Möglichkeit der Erfassung des eigenen Zustands zu haben und darauf adaptiv reagieren zu können. Daraus resultiert ein System, welches fehlertoleranter und flexibler ist. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass zur Aufwandseinsparung und Fehlerreduzierung sowie damit verbundener Kostenersparnis durch Reduzierung von Ausfallzeiten ein Intelligentes Technisches System nicht nur aufgrund seiner mechanischen Konstruktion einfach in ein bestehendes System integrierbar sein muss, sondern insbesondere über neue Methoden der Selbstkonfiguration auf den drei Ebenen Konnektivität, Middleware und Anwendung verfügen und Selbstdiagnosemechanismen beinhalten muss.

Übergeordnetes Ziel des Clusterquerschnittsprojekt 3 – „Intelligente Vernetzung“ (itsowl-IV) ist es daher, die notwendigen Methoden und Basisarchitekturen für die Realisierung der Selbstkonfiguration und der Selbstdiagnose eines Intelligenten Technischen Systems zu erarbeiten. Die wichtigsten Anforderungen sind Interoperabilität, Verlässlichkeit, Selbstkonfiguration und Integrationsfähigkeit in res­sour­cen­be­schränk­te Geräte. Detailliertere Anforderungen werden basierend auf den in den Kernunternehmen durchgeführten Innovationsprojekten im Verlauf des Projekts ermittelt und analysiert. Im Projekt itsowl-IV sollen ein Entwurfsinstrumentarium für Kommunikationsprotokolle für die Vernetzung, Mechanismen zur Selbstkonfiguration auf den drei Ebenen Anwendung (Semantik), Middleware und Konnektivität sowie Verfahren zur Sensor- und Informationsfusion spezifiziert werden, die die Kernunternehmen für ihre Innovationsprojekte benötigen. Die Spezifikationen werden in Hard- und Soft­ware­kom­po­nen­ten im Rahmen einer Eva­luations­umgebung prototypisch realisiert, die von den Clusterpartnern für eigene Projekte genutzt werden kann. Für die Erreichung des Gesamtziels wurden auf Basis verschiedener Problemstellungen und Handlungsfelder die folgenden sieben Teilbereiche identifiziert und werden im Rahmen des Projektes bearbeitet.

• Der Entwurf von Kommunikationsprotokollen auf Anwendungsebene soll mit modellbasierten Techniken unterstützt werden, da diese verschiedene Abstraktionen bieten und automatisierte Weiterverarbeitungen ermöglichen. Dafür soll eine Spezifikationstechnik für Kommunikationsprotokolle erstellt werden, mit der selbstkonfigurierende Kommunikation auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen modelliert werden kann.

• Die semantische Selbstbeschreibungsfähigkeit erlaubt die Identifikation von Netzwerksignalen durch eine Selbstbeschreibungsfähigkeit zur Realisierung der Selbstkonfiguration. Sie ermöglicht die Gewinnung von semantischen Informationen über Kommunikationsteilnehmer und Kommunikationsnetzwerke, die als Grundlage für die Selbst­kon­fi­gu­ra­tions­fä­hig­keit bekannt sein müssen.

• Der Entwurf und die Validierung einer Middleware, die sich in der dreischichtigen Architektur zwischen Anwendung und Konnektivität befindet, basiert auf existierenden Middleware-Ansätzen und soll die zu Projektbeginn identifizierten Anforderungen der IPs möglichst umfassend erfüllen. Sie dient im Wesentlichen zur Entkopplung der Softwaremodule der Anwendungsschicht von der darunter liegenden Netzwerktopologie.

• Ein zur Laufzeit rekonfigurierbarer Echtzeit-Kommunikationskanal auf Netzwerkebene gewährleistet die deterministische Kommunikation. Er kann von existierenden Echtzeit-Ethernet-Systemen oder auch von Feldbussystemen wie CAN oder Flexray bereitgestellt werden. Die Rekonfigurierbarkeit zur Laufzeit und das dynamische Hinzufügen und Entfernen von (Teil-)Systemen oder Komponenten wird hierdurch ermöglicht.

• Eine Entwicklungsmethodik zur Erstellung von Sensor- und Informationssystemen, die unter dem Gesichtspunkt der Ressourceneffizienz zu erforschende und entwickelnde Verfahren der Sensor- und Informationsfusion optimal auswählt und parametriert, soll bereitgestellt und validiert werden. Somit wird ein verlässlicher und nutzerfreundlicher Betrieb Intelligenter Technischer Systeme durch die Erfassung des Zustands des Systems selbst sowie eine Bewertung dessen ermöglicht.

• Intelligente selbstadaptive Sensorsysteme sollen entworfen werden und eine zuverlässige Auskunft über den momentanen Zustand des Ereignisraumes ermöglichen. Diese Sensorsysteme beinhalten eine Reihe von Elementarsensoren und sollen sich den Eingangsgrößen des Ereignisraumes anpassen sowie die angestrebte Sensorsignalfusion ermöglichen.

• Eine Evaluationsumgebung dient zur praxisnahen Validierung und Bewertung der im Rahmen des Projektes entwickelten Methoden und Konzepte. Gleichzeitig soll die Evaluationsumgebung als Technologieplattform für die in den Innovationsprojekten entwickelten Methoden und Systemkomponenten dienen. Durch die Integration neuer und etablierter Verfahren und Komponenten in eine gemeinsame Umgebung soll die Akzeptanz neuer Methoden bei den Industriepartnern gesteigert werden.