CPSwarm

Entwicklungsumgebung für cyber-physikalische Schwarmsysteme

© Rich Carey/shutterstock.com

Projektzeitraum: Jan. 2017 – Dez. 2019       

Finanzierung: 4,9 Mio. € aus dem EU-Förderprogramm Horizon 2020

Partner: 9

Projektkoordinator: LINKS Foundation (Italien)

Aufgaben des FIT: Technisches Management, iteratives Anforderungsmanagement, Software-Architektur, großflächige Software-Verteilung auf IoT Geräten

Herr Neumann legt die Füße hoch, öffnet die Nachrichten-App auf seinem Tablet und stöbert in den aktuellen News vom 3. Februar 2030. Der Leitartikel befasst sich mit der sogenannten »Leseratten-Revolution« und dem vermuteten Zusammenhang zum autonomen Fahren. Neumann schmunzelt. Auch er hat erst seit ein paar Jahren wirklich wieder Zeit zum Lesen. Er legt das Tablet auf den Beifahrersitz und beugt sich nach hinten, um sein Frühstück vom Rücksitz zu nehmen. Bei einem kurzen Blick in den Rückspiegel sieht er, dass sich noch weitere Autos an den Konvoi angeschlossen haben. Auch wenn es mittlerweile gewöhnlich ist, dass die Schwarmintelligenz von autonomen Autos auf Autobahnen genutzt wird, erstaunt es Herrn Neumann immer wieder. Und er genießt nicht nur die entspannte Fahrt, sondern erfreut sich auch an den Vorteilen für die Umwelt und die Gesellschaft…

An ähnlichen Visionen arbeiten Forschungs- und Entwicklungsteams schon seit längerem. Eine Kette von Fahrzeugen, die miteinander kommunizieren und agieren, spart Energie, weil die Autos den jeweiligen Windschatten des anderen nutzen können. Außerdem kann ein sogenannter Schwarm auch koordiniert gleichzeitig auf Verkehrssituationen reagieren. Das hat zur Folge, dass die Fahrbahn besser genutzt wird und somit auch Staus vermieden werden.

Es stellt sich allerdings die Frage, wie lange die Entwicklung eines perfekt funktionierenden Systems dauert, das aus vielen einzelnen intelligenten Teilnehmern besteht. Cyber-physische Systeme (CPS) bestehen aus vielen, meist hunderten bis tausenden einzelnen Teilnehmern, die in ihrer Gesamtheit als Schwarm gesehen werden können. Die Abstimmung und Optimierung des Verhaltens eines solchen Schwarms ist eine Herausforderung für Forschung, Entwicklung, aber auch Installation, Betrieb und Wartung der Systeme sowie deren einzelnen Bestandteile.

Das Projekt CPSwarm unterstützte Entwickler bei der Zusammenstellung von cyber-physischen Systemen. Dazu zählte neben der Komposition auch die Modellierung der einzelnen Mitglieder, deren Verhalten und Funktionalität. Algorithmen, die das Verhalten des Schwarms steuern, müssen ausgewählt, konfiguriert und für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden. Und letztendlich werden Werkzeuge benötigt, die Funktionalität auf die einzelnen Schwarm-Mitglieder zu bringen, ihr Verhalten zu verfolgen und Updates einzuspielen.

CPSwarm stellte dafür die CPSwarm-Workbench zur Verfügung, die all diese Aufgaben in einer integrierten Entwicklungsumgebung bündelt. Das Projekt konzentrierte sich neben dem genannten Szenario auch auf die Überwachung von Industrieanlagen, Unterstützung beim Katastrophenschutz mit Hilfe von Drohnen und Rovern sowie roboterunterstützte Lagerlogistik. In allen Szenarien achtete CPSwarm auf die Einbindung des Menschen, der ein wichtiger Akteur im Rahmen eines autonom agierenden Systems ist und bleiben soll. Denn: Sicherheitsbelange spielen eine zentrale Rolle, um Mensch und Umwelt vor Schaden zu bewahren und so die Akzeptanz und das Vertrauen in cyber-physikalische Schwarmsysteme sicherzustellen.

Fraunhofer FIT war technischer Manager des Projekts und verantwortlich für die Anforderungsanalyse und Workbench-Architektur. Überdies hinaus wirkte Fraunhofer FIT bei der Implementierung und Evaluation der CPSwarm-Workbench-Realisierungen sowie der Integration der einzelnen Komponenten mit. Die Erstellung von Werkzeugen, um Software für CPS-Schwarm-Systeme bereitzustellen und Updates während des Betriebs flächendeckend einzuspielen, gehörte ebenfalls zu den Aufgaben des Fraunhofer FIT.

Das Horizon 2020 geförderte Projekt CPSwarm wurde von der LINKS Foundation, Turin, Italien, koordiniert. Es bildet eine Ausgansbasis für weitere Forschung sowie anwendungsnahe Umsetzung.

Ergebnisse

Im Dezember 2019 wurde CPSwarm erfolgreich abgeschlossen. Dabei konnte das Projekt den aktuellen Stand der Entwicklung cyber-physischer Systeme mit folgenden Erkenntnissen und Tools erweitern:

  • Einer Bibliothek von Algorithmen und wiederverwendbaren Modellen für den Entwurf von CPS
  • Einer deployment toolchain für die Verteilung und Bereitstellung von Programm-Codes
  • Der CPSwarm-Workbench: ein effektiver Arbeitsablauf mit einem Tool-Set zur Unterstützung jeder einzelnen Phase der CPS-Entwicklung
  • Einer Grundlage für die Konsolidierung cyber-physischer Systeme und einer Erzielung massiv verteilbarer und rekonfigurierbarer Lösungen für die Zukunft

Die Entwicklungen im Projekt verliefen in engem Zusammenspiel von drei unterschiedlichen Anwendungsfällen in den Bereichen Katastrophenschutz, Lagerlogistik und Automotive.

Nächste Schritte

Für die Zukunft plant Fraunhofer FIT, auf den Konzepten von CPSwarm aufzubauen und die Deployment Toolchain weiterzuentwickeln. Die breite Anwendbarkeit von cyber-physischen Systemen wird es ermöglichen, die Technologie in zukünftigen Projekten auf weitere CPS-Anwendungen zu übertragen.     

(Aktualisierung: Juni 2020)