Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz
German Research Center for Artificial Intelligence

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Cyber-Physical Systems

Der Forschungsbereich Cyber-Physical Systems (CPS) entwickelt intelligente, vernetzte Systeme und konzentriert sich darauf, deren Zuverlässigkeit, Sicherheit und Schutz zu verbessern. Solche Systeme werden heute in Smartphones, Autos oder Flugzeugen eingesetzt. Ihre Anwendungen, Verbreitung und Komplexität werden in Zukunft weiter zunehmen, wodurch auch die Anforderungen an ihre Sicherheit und Genauigkeit steigen.

Der Forschungsbereichs wir von Prof. Dr. Rolf Drechsler geleitet, der auch die Arbeitsgruppe Rechnerarchitektur an der Universität Bremen leitet.

Was sind Cyber-Physical Systems?

Cyber-Physical Systems (deutsch: Cyber-Physische Systeme) verbinden digitale (Cyber-)Technologien in die physische Welt.

Illustration Cyber-physikalische Systeme: Auto, Flugzeug, Handy, Laptop fliegen auf Umlaufbahn um die Erde — Umfassende Qualität im Systemdesign

Unser Alltag hängt heute von einem komplexen Netz eingebetteter und autonomer Systeme ab – von Smartphones und Autos über Anwendungen in der Medizintechnik bis hin zum Cloud Computing. Sie kombinieren physische Hardwarekomponenten wie Sensoren, Aktoren und Steuerungen mit Software- und Netzwerktechnologien, um Systeme zu schaffen, die mit der physischen Welt in Echtzeit interagieren können. Um die gewünschte Funktionalität zu gewährleisten, ist eine nahtlose Integration zwischen der Cyber- und der physischen Domäne erforderlich. Mit der zunehmenden Komplexität der Systeme steigen auch die Anforderungen an die Sicherheit, die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit, was die Forschenden und Entwickelnden vor eine Vielzahl von Herausforderungen stellt.

Der Forschungsbereich Cyber-Physical Systems stellt sich diesen Herausforderungen mit einem jungen und internationalen Team von Fachkräften aus der Informatik und Mathematik, das daran arbeitet, die Zuverlässigkeit und Korrektheit des Systementwurfs von Grund auf zu berücksichtigen.

In enger Zusammenarbeit mit unseren Industriepartnern und akademischen Forschungsgruppen, insbesondere der Arbeitsgruppe Rechnerarchitektur der Universität Bremen, werden neue Methoden, Testverfahren und Anwendungen entwickelt. Ziel dieser Kooperationen ist es, Spitzenforschung schnell in die Anwendung zu bringen.

Unsere Forschung

Wo ein bloßer Knopfdruck ein elektronisches System in Gang setzt, werden im Hintergrund riesige Datenmengen verarbeitet: Zahlreiche Hardware und Software-Komponenten folgen einem Ablaufplan, der die Funktion des Systems festschreibt. Mit der wachsenden Komplexität der Systeme steigen auch die Anforderungen. Laut einer Studie des deutschen Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) sind heute mehr als 90 Prozent der Mikroprozessoren in Systeme eingebettet.

Je komplexer diese Systeme sind und je stärker sie über Netzwerke mit anderen Systemen verbunden sind, desto höher ist das Risiko unvorhergesehener Wechselwirkungen. Um trotzdem Sicherheit, Robustheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, müssen kontinuierlich neue, automatisierte und intelligente Testverfahren sowie Methoden der Qualitätssicherung entworfen werden. Dies ist besonders in sicherheitskritischen Anwendungsfeldern relevant.

Die CPS-Wissenschaftler stützen sich bei solchen Methoden auf mathematische Beweise, sogenannte formale Methoden, die Sicherheitsfehler so früh wie möglich im Entwurfsprozess erkennen. Darüber hinaus entwickeln sie neue Methoden der Qualitätssicherung für den Entwurf von komplexen elektronischen Chips und Systemen. Im Fokus stehen auch Ansätze zur Effizienzoptimierung, beispielsweise die Minimierung des Ressourcenverbrauchs, die Optimierung der Rechengeschwindigkeit oder die gezielte Entwicklung innovativer Lösungen für spezifische Anwendungen.

Zu den Schwerpunkten des Forschungsbereichs Cyber-Physical Systems gehören:

Werkzeuge und Methoden für den Systementwurf

Die Expertise von CPS umfasst Hardware und Low-Level-Software sowie Verifikation durch Testen, symbolische Ausführung oder sogenannte Theorembeweiser, die von einer Wissensbasis neue, gesicherte Aussagen ableiten. Ein großer Teil dieser Arbeiten basiert auf der RISC-V-Architektur.

Illustration von Infografiken, zwischen denen Verknüpfungen hergestellt werden

Formale Modelle

Formale Modelle sind die Grundlage für formale Verifikation. Die Ausgangspunkte sind hier Ontologien und Theorembeweiser. Ontologien sind formale, geordnete Darstellungen von Begriffen und Beziehungen, die das Wissen eines Anwendungsbereiches organisieren. Theorembeweiser kombinieren mittels Software vorhandenes Wissen neu und beweisen, dass sich neue Fakten daraus ableiten lassen. Dank solcher formalen Modelle lässt sich garantieren, dass sicherheitskritische Anwendungen immer fehlerfrei funktionieren.

Intelligente Umgebung

Intelligente Umgebungen sind eine großartige Möglichkeit, um Cyber-Physische Systeme und neu entwickelte Methoden anzuwenden. Dieses Forschungsgebiet konzentriert sich auf das Bremen Ambient Assisted Living Lab (BAALL) und umfasst die Bereiche Assistenzsysteme, Benutzerinteraktion, Gesundheit und Lebensqualität.