Cyber-Physical Systems - Exam

Aufgabe 1)

Ein Cyber-Physical System (CPS) integriert physische Prozesse mit Software und Netzwerken, um eine Echtzeit-Überwachung, -Steuerung und -Interaktion zu ermöglichen. Die grundlegenden Komponenten eines CPS umfassen Embedded Systems, Netzwerke, Sensoren/Aktoren und Software. Diese Systeme zielen auf Effizienzsteigerung, Autonomie und Sicherheit ab.

a)

(a) Komponenten identifizieren: Nenne und beschreibe die vier Hauptkomponenten eines Cyber-Physical Systems (CPS). Erkläre für jede Komponente, welche spezifische Rolle sie im Gesamtsystem spielt.

Lösung:

Um ein Cyber-Physical System (CPS) zu verstehen, ist es wichtig, die Hauptkomponenten und ihre spezifischen Rollen im Gesamtsystem zu identifizieren und zu beschreiben. Hier sind die vier Hauptkomponenten eines CPS:

• Embedded Systems: Eingebettete Systeme bestehen aus Rechnern oder Mikrocontrollern, die speziell für die Steuerung bestimmter Funktionen innerhalb des CPS entwickelt wurden. Sie verarbeiten Daten in Echtzeit und führen Berechnungen sowie Steueralgorithmen durch, um physische Prozesse zu überwachen und zu steuern. Diese Systeme sind oft robust und energieeffizient, da sie in ressourcenbeschränkten Umgebungen arbeiten. Rolle: Die Bereitstellung der zentralen Rechenleistung und Steuerung für die Integration von Software und physikalischen Komponenten.
• Netzwerke: Netzwerke ermöglichen die Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten eines CPS. Diese Netzwerke können drahtgebunden oder drahtlos sein und sind dafür verantwortlich, Daten sicher und effizient zu übertragen. Rolle: Die Vernetzung der verschiedenen Elemente des Systems zur Koordination und Datenübertragung.
• Sensoren/Aktoren: Sensoren sammeln Daten aus der physischen Umgebung (z. B. Temperatur, Druck, Bewegung) und Aktoren agieren in dieser Umgebung, indem sie physische Aktionen ausführen (z. B. Motoren ansteuern, Ventile öffnen). Rolle: Die Schnittstelle zwischen der digitalen und der physischen Welt, indem sie Informationen bereitstellen und physische Prozesse steuern.
• Software: Die Software umfasst Algorithmen, Benutzeroberflächen und Anwendungen, die die Analyse, Verarbeitung und Anzeige der gesammelten Daten sowie die Steuerung der eingebetteten Systeme ermöglichen. Rolle: Die Implementierung der Logik und Intelligenz für das Gesamtsystem, um die gewünschten Funktionen und Ziele zu erreichen.

b)

(b) Effizienzsteigerung durch CPS: Diskutiere, wie Cyber-Physical Systems zur Effizienzsteigerung in einem industriellen Kontext beitragen können. Nenne mindestens zwei konkrete Beispiele und erläutere, welche Komponenten des CPS in diesen Beispielen eine Schlüsselrolle spielen.

Lösung:

Cyber-Physical Systems (CPS) haben das Potenzial, die Effizienz in industriellen Kontexten erheblich zu steigern. Durch die Integration von physischen Prozessen mit digitaler Steuerung und Vernetzung können Unternehmen Prozesse optimieren, Kosten senken und die Produktivität erhöhen. Zwei konkrete Beispiele hierfür sind:

• Beispiel 1: Automatisierte Produktionslinien Beschreibung: In einer automatisierten Produktionslinie werden Sensoren verwendet, um Echtzeitdaten zu sammeln, etwa über den Zustand von Maschinen, Werkstücken und den Produktionsfortschritt. Diese Daten werden von eingebetteten Systemen analysiert und durch Software gesteuert. Aktoren können physische Anpassungen vornehmen, wie z.B. die Feinjustierung von Maschinen oder den Transport von Werkstücken. Schlüsselrollen der Komponenten:
  • Sensoren: Sammeln kontinuierlich Daten über die Produktionsumgebung.
  • Embedded Systems: Analysieren die Sensordaten in Echtzeit und treffen Entscheidungen über Anpassungen.
  • Software: Implementiert die Steuerungsalgorithmen und ermöglicht die Visualisierung und Verwaltung der Produktionsdaten.
  • Netzwerke: Ermöglichen die Kommunikation zwischen den verschiedenen Maschinen und Steuerungssystemen in der Produktionslinie.
• Beispiel 2: Predictive Maintenance (vorausschauende Wartung) Beschreibung: Bei der vorausschauenden Wartung werden Sensoren eingesetzt, um den Zustand und die Leistung von Maschinen zu überwachen. Mithilfe von Datenanalyse-Software werden Muster und Anomalien identifiziert, die auf bevorstehende Wartungsbedarfe hinweisen. Dies ermöglicht es, Wartungsarbeiten gezielt und rechtzeitig durchzuführen, bevor es zu Ausfällen kommt. Schlüsselrollen der Komponenten:
  • Sensoren: Überwachen kontinuierlich die Betriebszustände der Maschinen, wie z.B. Vibrationen, Temperaturen und Geräusche.
  • Software: Analysiert die gesammelten Daten, identifiziert Muster und prognostiziert den Wartungsbedarf.
  • Embedded Systems: Verarbeiten die Echtzeitdaten und führen die Steuerungslogik aus, um Warnungen zu erzeugen und Wartungsvorgänge zu initiieren.
  • Netzwerke: Sorgen für die Datenübertragung zwischen den Sensoren, Steuerungssystemen und Wartungsteams.

Durch die Implementierung von CPS in diesen und ähnlichen Anwendungen können Unternehmen die Effizienz steigern, Ausfallzeiten reduzieren und die Lebensdauer von Maschinen verlängern.

c)

(c) Autonomie in Cyber-Physical Systems: Erkläre den Begriff der Autonomie in Bezug auf Cyber-Physical Systems. Welche Herausforderungen und potenziellen Risiken sind mit der steigenden Autonomie dieser Systeme verbunden? Nutze Beispiele aus dem Bereich der autonomen Fahrzeuge zur Veranschaulichung.

Lösung:

Cyber-Physical Systems (CPS) streben nach einer hohen Autonomie, das heißt, sie sollen in der Lage sein, ohne menschliches Eingreifen selbstständig zu agieren und Entscheidungen zu treffen. Im Kontext von CPS bedeutet Autonomie, dass Systeme durch Sensoren und Aktoren ihre Umgebung wahrnehmen, durch eingebaute Rechenleistungen und Algorithmen Entscheidungen treffen und entsprechend handeln können. Dies wird oft durch maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz (KI) unterstützt.

Herausforderungen und potenzielle Risiken der Autonomie in CPS:

• Technische Komplexität: Die Entwicklung autonomer Systeme erfordert hochkomplexe Software und Hardware, die zuverlässig und sicher arbeiten müssen. Fehler in der Programmierung oder Hardwareausfälle können schwerwiegende Folgen haben.
• Datensicherheit: Autonome Systeme sammeln und verarbeiten große Mengen an Daten. Die Sicherung dieser Daten gegen unbefugten Zugriff und Cyberangriffe ist eine große Herausforderung.
• Ethik und Verantwortung: Autonome Systeme müssen in kritischen Situationen ethische Entscheidungen treffen können. Zum Beispiel muss bei autonomen Fahrzeugen entschieden werden, wie das Fahrzeug in Gefahrensituationen reagieren soll. Wer trägt die Verantwortung bei einem Unfall – das System, der Hersteller oder der Betreiber?
• Zuverlässigkeit und Robustheit: Autonome Systeme müssen in verschiedenen Umgebungen und unter unterschiedlichen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Sie müssen in der Lage sein, unvorhersehbare Ereignisse zu bewältigen und entsprechend zu reagieren.
• Rechtliche Rahmenbedingungen: Die Gesetzgebung für autonome Systeme muss weiterentwickelt werden, um den Einsatz und die Verantwortung solcher Systeme zu regeln. Insbesondere im Bereich der autonomen Fahrzeuge gibt es noch viele offene rechtliche Fragen.

Beispiel: Autonome Fahrzeuge

• Autonomie in autonomen Fahrzeugen: Autonome Fahrzeuge nutzen eine Vielzahl von Sensoren (z.B. Kameras, Radar, Lidar) und verarbeiten die gesammelten Daten in Echtzeit, um die Umgebung zu erkennen und eigenständige Fahrentscheidungen zu treffen. Sie steuern, beschleunigen und bremsen ohne menschliches Eingreifen.
• Herausforderungen:
  • Technische Komplexität: Die Fahrzeugsoftware muss in der Lage sein, Millionen von Echtzeitdatenpunkten zu verarbeiten und präzise Entscheidungen zu treffen.
  • Datensicherheit: Die Fahrzeugsysteme müssen gegen Cyberangriffe abgesichert werden, die möglicherweise die Kontrolle über das Fahrzeug übernehmen könnten.
  • Ethik: Entscheidungen in Gefahrensituationen stellen ethische Herausforderungen dar. Zum Beispiel: Soll das Fahrzeug lieber einen Unfall riskieren, um Fußgänger zu schützen, oder versucht es, das Leben des Fahrers zu schützen?
  • Rechtliche Rahmenbedingungen: Viele Länder haben noch keine umfassenden Gesetze für den Einsatz autonomer Fahrzeuge, was Unsicherheiten für Hersteller und Nutzer schafft.

Durch das Verständnis dieser Herausforderungen und potenziellen Risiken können die Entwicklung und Einführung autonomer Cyber-Physical Systems sicherer und effizienter gestaltet werden.

d)

(d) Sicherheitsaspekte: Sicherheitsaspekte sind ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung und dem Betrieb von Cyber-Physical Systems. Identifiziere und erkläre mindestens drei Sicherheitsanforderungen, die bei der Entwicklung eines CPS berücksichtigt werden müssen. Diskutiere, wie ein Versagen dieser Sicherheitsmaßnahmen sich auf das Gesamtsystem auswirken könnte.

Lösung:

Die Sicherheit von Cyber-Physical Systems (CPS) ist von entscheidender Bedeutung, da ein Versagen der Sicherheitsmaßnahmen zu schwerwiegenden Konsequenzen führen kann. Hier sind drei wesentliche Sicherheitsanforderungen, die bei der Entwicklung eines CPS berücksichtigt werden müssen:

• Datensicherheit: Der Schutz sensibler Daten, die von Sensoren gesammelt und zwischen den Komponenten des CPS übertragen werden, ist unerlässlich. Dies umfasst die Verschlüsselung der Daten während der Übertragung und der Speicherung sowie den Schutz vor unbefugtem Zugriff. Auswirkung eines Versagens: Ein Versagen der Datensicherheit könnte dazu führen, dass vertrauliche Informationen gestohlen, verändert oder zerstört werden. Dies könnte nicht nur zu Reputations- und finanziellen Schäden führen, sondern auch die Funktionstüchtigkeit des Systems beeinträchtigen.
• Zugangskontrolle: Die Implementierung strenger Zugangskontrollen stellt sicher, dass nur autorisierte Benutzer und Systeme auf kritische Komponenten und Daten des CPS zugreifen können. Dies kann durch Authentifizierungs- und Autorisierungsmechanismen erreicht werden. Auswirkung eines Versagens: Wenn die Zugangskontrollen versagen, könnten unbefugte Benutzer oder bösartige Akteure in der Lage sein, das System zu manipulieren, schädliche Aktionen durchzuführen oder den Betrieb zu stören. Das könnte zu physischen Schäden, Produktionsausfällen oder Sicherheitsrisiken führen.
• Erkennung und Reaktion auf Bedrohungen: Die Fähigkeit des CPS, Bedrohungen in Echtzeit zu erkennen und darauf zu reagieren, ist entscheidend. Dies umfasst die Implementierung von Intrusion Detection Systems (IDS), Überwachungssystemen und Notfallplänen zur schnellen Reaktion auf sicherheitsrelevante Vorfälle. Auswirkung eines Versagens: Ein unentdeckter Angriff oder eine Bedrohung könnte ungehindert Schäden verursachen und das System erheblich beeinträchtigen. Dadurch könnten unkontrollierte physische Ereignisse ausgelöst werden, die zu Schäden an Infrastruktur und Maschinen oder sogar zur Gefährdung von Menschenleben führen.

Diskussion der Auswirkungen:

• Produktionsausfälle: Ein Versagen der Sicherheitsmaßnahmen könnte zu Produktionsstillständen führen, was erhebliche wirtschaftliche Verluste verursachen kann.
• Physische Schäden: Manipulierte Steuerungen könnten Maschinen falsch ansteuern, was zu physischen Schäden an Geräten, Infrastruktur oder sogar zur Gefährdung von Arbeitnehmern führen kann.
• Reputation: Sicherheitsverstöße können das Vertrauen in das Unternehmen und seine Produkte unterminieren, was zu langfristigen Reputationsschäden führt.
• Rechtliche Konsequenzen: Ein Sicherheitsvorfall kann rechtliche Konsequenzen nach sich ziehen, insbesondere wenn er zu Datenschutzverletzungen oder körperlichen Schäden führt.

Die Berücksichtigung und Implementierung von Sicherheitsmaßnahmen ist daher essenziell, um das Risiko von Sicherheitsvorfällen zu minimieren und den sicheren Betrieb von Cyber-Physical Systems zu gewährleisten.

Aufgabe 2)

Du bist verantwortlich für die Integration eines Cyber-Physical Systems (CPS), das aus einer Kombination von physischen Sensoren und einer zentralen Steuereinheit besteht. Das CPS soll verwendet werden, um Echtzeit-Daten über Umweltbedingungen zu sammeln und entsprechende Aktuatoren zu steuern. Die Kommunikation zwischen den Komponenten erfolgt über IoT-Protokolle. Deine Aufgabe umfasst die Entwicklung einer sichereren, zuverlässigen und skalierbaren Lösung für dieses System. Berücksichtige Aspekte wie Echtzeitbetrieb und Zuverlässigkeit.

a)

Beschreibe, wie Real-Time Operating Systems (RTOS) die Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit eines Cyber-Physical Systems unterstützen können. Gehe dabei im Detail darauf ein, welche Vorteile RTOS bietet und wie es sich von herkömmlichen Betriebssystemen unterscheidet.

Lösung:

Real-Time Operating Systems (RTOS) spielen eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung der Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit eines Cyber-Physical Systems (CPS). Im Folgenden werden die verschiedenen Vorteile und Unterschiede von RTOS im Vergleich zu herkömmlichen Betriebssystemen beschrieben.

• Echtzeitbetrieb:Ein RTOS ist speziell darauf ausgelegt, Aufgaben in vorhersagbarer und deterministischer Weise zu planen und auszuführen. Dies ist entscheidend für CPS, bei denen zeitkritische Aufgaben wie das Sammeln von Sensordaten und das Steuern von Aktuatoren in festgelegten Zeitrahmen erfolgen müssen. Herkömmliche Betriebssysteme können solche Garantien nicht bieten, da ihre Planungsalgorithmen nicht echtzeitfähig sind.
• Prioritätsbasierte Task-Planung:RTOS nutzen prioritätsbasierte Planungsalgorithmen, um sicherzustellen, dass hochpriorisierte Echtzeitaufgaben vor weniger kritischen Aufgaben ausgeführt werden. Dies hilft, die Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit zu erfüllen und die Reaktionszeit des Systems zu minimieren.
• Deterministische Latenzzeiten:Die Latenzzeiten bei RTOS sind vorhersehbar und deterministisch, was bedeutet, dass die Zeitintervalle zwischen Eingaben und den entsprechenden Ausgaben festgelegt sind. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit und zeitgerechte Reaktionen erfordern, wie z.B. bei der Steuerung von Aktuatoren in einem CPS.
• Unterstützung für Multitasking:RTOS sind für das gleichzeitige Ausführen mehrerer Aufgaben optimiert, ohne dass es zu Störungen oder Verzögerungen kommt. Dies ermöglicht es dem CPS, mehrere Sensoren und Aktuatoren effizient zu verwalten.
• Ressourcenverwaltung:Ein RTOS bietet eine präzise Kontrolle über die Systemressourcen wie CPU-Zeit, Speicher und Ein-/Ausgabe-Operationen. Diese Kontrolle ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Systemstabilität und -zuverlässigkeit, indem verhindert wird, dass einzelne Aufgaben zu viele Ressourcen verbrauchen.
• Fehlertoleranz und Zuverlässigkeit:RTOS sind in der Regel robust und verfügen über Mechanismen zur Fehlererkennung und -behebung, um Ausfälle zu minimieren. Sie können auch redundante Systeme unterstützen, die die Zuverlässigkeit des CPS erhöhen.
• Unterstützung für Interrupts:Ein RTOS kann schnell und effizient auf Interrupts reagieren, was die Echtzeitfähigkeit weiter verbessert. Interrupts sind unerlässlich für die Verarbeitung von Ereignissen, die außerhalb des normalen Taskplans auftreten.

Im Gegensatz dazu sind herkömmliche Betriebssysteme wie Windows oder Linux für allgemeine Computeranwendungen konzipiert und bieten keine deterministischen Planungsalgorithmen. Sie sind daher weniger geeignet für Anwendungen, bei denen eine garantierte Reaktionszeit und hohe Zuverlässigkeit erforderlich sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass RTOS eine wesentliche Komponente für die Umsetzung von zuverlässigen und echtzeitfähigen Cyber-Physical Systems darstellt.

b)

Entwerfe eine Kommunikationsarchitektur für Dein System, die IoT-Protokolle verwendet. Skizziere und erläutere die Schnittstellen und Protokolle, die Du einsetzen würdest. Begründe Deine Wahl und diskutiere mögliche Vor- und Nachteile.

Lösung:

Um eine sichere, zuverlässige und skalierbare Kommunikationsarchitektur für ein Cyber-Physical System (CPS) zu entwerfen, das IoT-Protokolle verwendet, ist es wichtig, die richtigen Protokolle sowie die Struktur der gesamten Architektur sorgfältig auszuwählen. Im Folgenden skizziere und erläutere ich die Schnittstellen und Protokolle, die ich für dieses System einsetzen würde.

Architekturübersicht:

Die Kommunikationsarchitektur könnte wie folgt aufgebaut sein:

• Sensoren: Die physischen Sensoren sammeln Echtzeit-Daten über Umweltbedingungen.
• Zentrale Steuereinheit: Die zentrale Steuereinheit sammelt Daten von den Sensoren, verarbeitet sie und sendet entsprechende Steuersignale an die Aktuatoren.
• Aktuatoren: Die Aktuatoren empfangen Steuersignale von der zentralen Steuereinheit und führen die notwendigen Aktionen aus.
• Kommunikationsnetzwerk: Die Kommunikation erfolgt über ein Netzwerk, das IoT-Protokolle verwendet.

Vorgeschlagene IoT-Protokolle:

• MQTT (Message Queuing Telemetry Transport):

  MQTT ist ein leichtgewichtiges Veröffentlichungs-/Abonnementprotokoll, das sich besonders gut für IoT-Anwendungen eignet, die eine zuverlässige Zustellung und minimale Netzwerkbandbreite erfordern.

  • Vorteile:
  • Geringer Overhead und hoher Durchsatz.
  • Unterstützung für Quality of Service (QoS)-Stufen, die Zuverlässigkeit gewährleisten.
  • Effizient bei der Übertragung von kleinen Datenmengen.
  • Nachteile:
  • MQTT-Broker kann ein Single-Point-of-Failure sein, wenn nicht richtig skaliert und abgesichert.
• CoAP (Constrained Application Protocol):

  CoAP ist ein speziell für eingeschränkte Geräte entwickeltes Protokoll, das ähnlich wie HTTP funktioniert und auf UDP aufbaut.

  • Vorteile:
  • Niedriger Energieverbrauch und geringer Overhead.
  • Einfach zu implementieren auf ressourcenschwachen Geräten.
  • Nachteile:
  • Weniger robust gegenüber Paketverlusten im Vergleich zu TCP-basierenden Protokollen.
• HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure):

  HTTPS kann in bestimmten Teilen des Systems verwendet werden, insbesondere für die Kommunikation zwischen der zentralen Steuereinheit und externen Servern oder Cloud-Diensten zur Datenanalyse und Speicherung.

  • Vorteile:
  • Hohe Sicherheit durch Verschlüsselung.
  • Weit verbreitet und gut unterstützt.
  • Nachteile:
  • Höherer Overhead und mehr Ressourcenverbrauch im Vergleich zu anderen IoT-Protokollen.

Schnittstellen:

• Sensoren zu Zentrale Steuereinheit:Die Sensoren kommunizieren mit der zentralen Steuereinheit über MQTT oder CoAP, abhängig von der Art und Frequenz der zu übertragenden Daten sowie den Energieanforderungen der Sensoren. CoAP kann vorzugsweise bei Energieempfindlichen Geräten eingesetzt werden, während MQTT für häufige und zuverlässige Datenübertragung genutzt wird.
• Zentrale Steuereinheit zu Aktuatoren:Die zentrale Steuereinheit sendet Steuersignale an die Aktuatoren über MQTT, um eine zuverlässige und latenzarme Kommunikation sicherzustellen. QoS-Stufen von MQTT werden verwendet, um sicherzustellen, dass wichtige Steuerbefehle zuverlässig zugestellt werden.
• Zentrale Steuereinheit zu Externe Dienste (Cloud etc.):Die Kommunikation zwischen der zentralen Steuereinheit und externen Diensten erfolgt über HTTPS, um die Sicherheit und Datenintegrität zu gewährleisten.

Zusammenfassung:

Die vorgeschlagene Kommunikationsarchitektur verwendet MQTT, CoAP und HTTPS, um die Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit zu erfüllen. MQTT bietet niedrigen Overhead und Zuverlässigkeit für die Datenübertragung zwischen Sensoren, zentraler Steuereinheit und Aktuatoren. CoAP ist eine energieeffiziente Option für eingeschränkte Geräte, während HTTPS für sichere externe Kommunikation genutzt wird. Durch die Kombination dieser Protokolle wird eine robuste und effiziente Kommunikationsarchitektur für das CPS geschaffen.

c)

Stell Dir vor, Du entwickelst eine Middleware-Lösung für Dein CPS. Beschreibe, welche Funktionen und Services diese Middleware bereitstellen muss, um die Sicherheit und Skalierbarkeit des Systems zu gewährleisten. Nenne spezifische Techniken und Mechanismen, die implementiert werden könnten.

Lösung:

Die Entwicklung einer Middleware-Lösung für ein Cyber-Physical System (CPS) ist essentiell, um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit des Systems zu gewährleisten. Eine solche Middleware fungiert als Vermittler zwischen den physischen Sensoren, der zentralen Steuereinheit und den Aktuatoren und erleichtert die Kommunikation und Datenverarbeitung. Im Folgenden werden die Funktionen und Services beschrieben, die diese Middleware bereitstellen muss:

Funktionen und Services der Middleware

• Sichere Kommunikation: Die Middleware muss Mechanismen zur Sicherung der Kommunikation bereitstellen. Dies kann durch die Implementierung von Protokollen wie TLS (Transport Layer Security) und der Verschlüsselung von Daten im Transit erreicht werden.
  • Techniken: TLS, SSL (Secure Sockets Layer), Datenverschlüsselung (AES, RSA)
• Authentifizierung und Autorisierung: Um sicherzustellen, dass nur autorisierte Geräte und Benutzer auf die Daten und Funktionen des CPS zugreifen können, muss die Middleware Authentifizierungs- und Autorisierungsdienste zur Verfügung stellen.
  • Techniken: OAuth2, JWT (JSON Web Tokens), X.509 Zertifikate
• Datenaggregation und -filterung: Die Middleware sollte in der Lage sein, Daten von verschiedenen Sensoren zu aggregieren und zu filtern, um die zentralen Steuereinheit zu entlasten und die Netzwerklast zu reduzieren.
  • Techniken: Edge-Computing, Datenvorverarbeitung, Filterregeln
• Skalierbare Architekturen: Um die Skalierbarkeit des Systems zu gewährleisten, sollte die Middleware eine Microservice-Architektur unterstützen, die eine einfache horizontale Skalierung ermöglicht.
  • Techniken: Docker, Kubernetes, Load Balancing
• Ereignisgesteuerte Architektur: Eine ereignisgesteuerte Architektur ermöglicht es der Middleware, auf Ereignisse in Echtzeit zu reagieren und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen. Dies verbessert die Reaktionsfähigkeit des Systems.
  • Techniken: Event-Broker wie Apache Kafka, MQTT
• Überwachung und Logging: Die Middleware sollte Mechanismen zur Überwachung und Protokollierung des Systemzustands und der Ereignisse bereitstellen, um eine einfache Fehlersuche und Wartung zu ermöglichen.
  • Techniken: ELK-Stack (Elasticsearch, Logstash, Kibana), Prometheus, Grafana
• Fehlerbehebung und Wiederherstellung: Die Middleware sollte in der Lage sein, Fehler zu erkennen und zu beheben sowie automatisch wiederherzustellen, um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen.
  • Techniken: Heartbeat-Mechanismen, automatische Neustartstrategien, Redundante Systeme
• Firmware- und Software-Updates: Die Middleware muss kontrollierte und sichere Firmware- und Software-Updates für Sensoren und Aktuatoren ermöglichen, um sicherheitsrelevante Patches und Verbesserungen bereitzustellen.
  • Techniken: OTA-Updates (Over-the-Air), Secure Boot

Zusammenfassung

Eine gut entwickelte Middleware-Lösung spielt eine zentrale Rolle bei der Sicherstellung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit eines Cyber-Physical Systems. Durch die Implementierung spezifischer Techniken und Mechanismen in Bereichen wie sichere Kommunikation, Authentifizierung, Datenaggregation, Ereignissteuerung und Überwachung kann die Middleware als stabiler und sicherer Backbone des Systems dienen. Diese Funktionen und Services sind entscheidend, um ein robustes und effizientes CPS zu schaffen, das den Anforderungen der Echtzeit-Datensammlung und der Steuerung von Umweltbedingungen gerecht wird.

Aufgabe 3)

In der Vorlesung zu Cyber-Physical Systems an der Universität Erlangen-Nürnberg hast Du Modelle und Abstraktionsebenen kennengelernt, die dazu dienen, komplexe Systeme zu vereinfachen und zu strukturieren. Es gibt verschiedene Abstraktionsebenen wie die physikalische, logische und Anwendungsebene. Modelle können mathematisch sein oder Zustandsmodelle umfassen und dienen der vereinfachten Darstellung von Systemen oder Prozessen.

a)

Erkläre die Unterschiede zwischen der physikalischen, logischen und Anwendungsebene in Cyber-Physical Systems. Gib Beispiele, wie diese Ebenen in einem intelligenten Verkehrssystem (z. B. autonome Fahrzeuge) angewendet werden können.

Lösung:

In Cyber-Physical Systems (CPS) unterscheidet man zwischen verschiedenen Abstraktionsebenen. Diese Ebenen sind entscheidend, um komplexe Systeme zu modellieren und zu vereinfachen. Die drei Hauptabstraktionsebenen sind die physikalische, logische und Anwendungsebene. Im Folgenden werden die Unterschiede und Beispiele für jede Ebene in einem intelligenten Verkehrssystem, wie autonomen Fahrzeugen, erläutert.

• Physikalische Ebene: Diese Ebene umfasst die Hardware-Komponenten und die physikalischen Eigenschaften des Systems. Dazu gehören mechanische, elektrische und andere physikalische Aspekte. Im Kontext eines intelligenten Verkehrssystems würden zur physikalischen Ebene die Sensoren (z. B. Kameras, LiDAR, Radar), Aktoren (z. B. Motoren, Bremsen), sowie die physikalischen Verbindungen und das Gehäuse des Fahrzeugs gehören. Beispiel: Die Kameras und Radarsensoren eines autonomen Fahrzeugs, die die Umgebung überwachen und physikalische Daten sammeln.
• Logische Ebene: Diese Ebene bezieht sich auf die Software und die Algorithmen, die die Funktionen des Systems steuern und verarbeiten. Sie umfasst die Datenverarbeitung, Entscheidungsfindung und Steuerungsmechanismen. Im Zusammenhang mit autonomen Fahrzeugen gehören hierzu die Algorithmen für die Datenanalyse, das maschinelle Lernen, das Verkehrsmanagement und die Routenplanung. Beispiel: Der Algorithmus zur Hinderniserkennung und Wegfindung in einem autonomen Fahrzeug, der auf Basis der von den Sensoren gelieferten Daten Entscheidungen trifft.
• Anwendungsebene: Diese Ebene bezieht sich auf die spezifischen Anwendungen und ihre Interaktionen mit dem Benutzer und anderen Systemen. Sie umfasst die Benutzeroberflächen, Anwendungen und Dienste, die auf den vorherigen Ebenen aufbauen. In einem intelligenten Verkehrssystem wären dies die Benutzer-Apps, die Schnittstellen zur Verkehrsüberwachung und die Interaktion mit anderen Verkehrsteilnehmern. Beispiel: Eine mobile App, die es dem Benutzer ermöglicht, ein autonomes Fahrzeug zu bestellen, Routeninformationen anzuzeigen und Rückmeldungen zum Fahrauftrag zu geben.

Durch das Verständnis dieser Abstraktionsebenen können Entwickler und Ingenieure komplexe CPS effizienter entwerfen und verwalten.

b)

Ein Cyber-Physisches System kann durch verschiedene Modelle beschrieben werden. Entwickle ein Zustandsmodell für ein autonomes Fahrzeug, das die Zustände 'Warten an der Ampel', 'Fahren' und 'Parken' umfasst. Beschreibe, wie diese Zustände durch Übergänge miteinander verbunden sind.

Lösung:

Ein Zustandsmodell ist ein nützliches Instrument zur Beschreibung der verschiedenen Betriebsmodi eines Cyber-Physischen Systems (CPS) und der Übergänge zwischen diesen Zuständen. Hier ist ein einfaches Zustandsmodell, das für ein autonomes Fahrzeug entwickelt wurde. Es umfasst die Zustände 'Warten an der Ampel', 'Fahren' und 'Parken'.

• Zustand 1: Warten an der Ampel Im Zustand 'Warten an der Ampel' befindet sich das Fahrzeug, wenn es an einer roten Ampel hält und auf das grüne Signal wartet. Übergang: Wenn die Ampel von Rot auf Grün wechselt, geht das Fahrzeug in den Zustand 'Fahren' über.
• Zustand 2: Fahren Im Zustand 'Fahren' bewegt sich das Fahrzeug auf der Straße vorwärts. Es kann Hindernissen ausweichen, die Geschwindigkeit anpassen und die Route entsprechend den Verkehrsbedingungen ändern. Übergang 1: Wenn das Fahrzeug eine rote Ampel erreicht, geht es in den Zustand 'Warten an der Ampel' über. Übergang 2: Wenn das Fahrzeug sein Ziel erreicht hat, wechselt es in den Zustand 'Parken'.
• Zustand 3: Parken Im Zustand 'Parken' befindet sich das Fahrzeug an seinem Zielort und ist ausgeschaltet oder auf Standby. Es verlässt diesen Zustand erst, wenn es von einem Benutzer für eine neue Fahrt aktiviert wird. Übergang: Wenn das Fahrzeug gestartet und für eine neue Fahrt aktiviert wird, geht es in den Zustand 'Fahren' über.

Zusammenfassung der Übergänge:

• Von 'Warten an der Ampel' zu 'Fahren': Wenn die Ampel grün wird.
• Von 'Fahren' zu 'Warten an der Ampel': Wenn das Fahrzeug eine rote Ampel erreicht.
• Von 'Fahren' zu 'Parken': Wenn das Fahrzeug sein Ziel erreicht.
• Von 'Parken' zu 'Fahren': Wenn das Fahrzeug für eine neue Fahrt gestartet wird.

Dieses Zustandsmodell hilft, die Logik und Kontrolle eines autonomen Fahrzeugs zu strukturieren und zu verstehen, indem es die relevanten Zustände und die Ereignisse, die zu Zustandsübergängen führen, klar definiert.

Aufgabe 4)

In einem Cyber-Physical System (CPS) setzen wir Simulationsmodelle ein, um das Verhalten des Systems vor der Implementierung in der realen Welt zu testen. Diese Modelle nutzen mathematische Modelle und Softwarewerkzeuge wie MATLAB/Simulink, Modelica und UPPAAL. Ein kritischer Aspekt bei der Arbeit mit CPS ist die Validierung und Verifikation der Modelle. Validation wird durchgeführt, indem die Simulationsmodelle mit realen Daten verglichen werden, um sicherzustellen, dass das Modell das tatsächliche Verhalten korrekt widerspiegelt. Verifikation verwendet formale Methoden zur Prüfung der Korrektheit der Modelle. Zu den Metriken, die verwendet werden, um die Leistung von CPS-Modellen zu bewerten, gehören Genauigkeit, Effizienz und Robustheit.

a)

(a) Erkläre den Unterschied zwischen Validierung und Verifikation im Kontext von Cyber-Physischen Systemen. Wieso sind beide Prozesse wichtig? Beschreibe ein Beispiel, wie diese in einem konkreten Anwendungsfall von CPS integriert werden könnten.

Lösung:

• Validierung: Im Kontext von Cyber-Physischen Systemen (CPS) bezieht sich die Validierung auf den Prozess, bei dem überprüft wird, ob das Simulationsmodell das reale Verhalten des physischen Systems korrekt widerspiegelt. Dies geschieht durch den Vergleich des Modells mit realen Daten. Der Zweck der Validierung besteht darin, sicherzustellen, dass das Modell genau genug ist, um realistische und verlässliche Vorhersagen zu treffen.
• Verifikation: Verifikation hingegen ist der Prozess der Überprüfung, ob ein Modell korrekt implementiert wurde. Es geht darum, zu prüfen, ob das Modell den spezifizierten Anforderungen und Regeln entspricht. Verifikation nutzt formale Methoden, wie mathematische Beweise, Model-Checking und andere formale Verifikationswerkzeuge, um Fehler und Inkonsistenzen im Modell aufzudecken.
• Wichtigkeit beider Prozesse: Beide Prozesse sind entscheidend, um sicherzustellen, dass CPS-Modelle sowohl korrekt als auch realitätsnah sind. Ohne Validierung könnten ungenaue Modelle zu falschen Entscheidungen und unzuverlässigen Verhaltensvorhersagen führen. Ohne Verifikation könnten Modelle Fehler enthalten, die im Betrieb zu unerwarteten Problemen oder Fehlfunktionen führen könnten.
• Beispiel:Stell Dir ein autonomes Fahrzeug vor, das mithilfe eines CPS-Modells entwickelt wird:
  • Validierung: Um das Modell des Fahrzeugs zu validieren, könnte man das Fahrzeug in einer kontrollierten Umgebung reale Daten sammeln lassen (z. B. Fahrmanöver auf einer Teststrecke). Diese realen Daten werden dann mit den Simulationsergebnissen verglichen, um sicherzustellen, dass das Modell des Fahrzeugs korrekt die Reaktionen und das Verhalten im echten Verkehr widerspiegelt.
  • Verifikation: Bei der Verifikation des Modells würde man formale Methoden anwenden, um sicherzustellen, dass das Modell die spezifizierten Regeln und Sicherheitsanforderungen erfüllt. Beispielsweise könnte man überprüfen, ob das Fahrzeug in jeder Situation die Verkehrsregeln einhält und kollisionsfrei bleibt.
• Durch die Kombination beider Prozesse (Validierung und Verifikation) kann sichergestellt werden, dass das CPS-Modell des autonomen Fahrzeugs sowohl korrekt als auch realitätsnah ist, was entscheidend für die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems ist.

b)

(b) Ein CPS-Modell wurde in MATLAB/Simulink entwickelt, bei dem ein RT-Modellsystem für autonome Fahrzeuge simuliert wird. Wähle eine Metrik (Genauigkeit, Effizienz, Robustheit) und entwickle einen Plan, wie du diese Metrik für dein Modell testen würdest. Belege deine Antwort mit geeigneten mathematischen Formeln und Simulationsansätzen.

Lösung:

• Gewählte Metrik: Genauigkeit
• Plan zur Prüfung der Genauigkeit des CPS-Modells:Die Genauigkeit eines Simulationsmodells für autonome Fahrzeuge zu testen, bedeutet zu überprüfen, wie gut das Modell das reale Verhalten des physischen Fahrzeugs nachbilden kann. Hier ist ein detaillierter Plan, wie diese Prüfung durchgeführt werden könnte:
• 1. Datensammlung:
  • Sammle reale Fahrdaten von einem physischen autonomen Fahrzeug unter verschiedenen Bedingungen wie städtischen Straßen, Autobahnen und bei verschiedenen Wetterbedingungen.
  • Die gesammelten Daten sollten verschiedene Fahrzustände beinhalten, wie zum Beispiel Beschleunigen, Bremsen, Kurvenfahren und Spurwechsel.
• 2. Modellparameter Kalibrierung:
  • Die Parameter des MATLAB/Simulink-Modells sollten auf Grundlage der gesammelten realen Daten kalibriert werden, um sicherzustellen, dass das Modell unter ähnlichen Bedingungen betrieben wird.
• 3. Simulationsdurchläufe:
  • Führe die Simulationen in MATLAB/Simulink mit den gleichen Eingabedaten aus, die vom realen Fahrzeug verwendet wurden.
• 4. Vergleich der Ergebnisse:
  • Vergleiche die Ergebnisse der Simulation mit den realen Daten. Dies kann durch die Analyse der Zeitreihen der relevanten Variablen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Position und Spurwechsel erfolgen.
• 5. Berechnung der Abweichungen:
  • Berechne die Abweichungen zwischen den simulierten und den realen Daten. Typischerweise könnten Metriken wie der mittlere quadratische Fehler (Mean Squared Error, MSE) oder der mittlere absolute Fehler (Mean Absolute Error, MAE) verwendet werden.

  MSE = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} (y_{ \text{real},i} - y_{ \text{simuliert},i})^2

  MAE = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} | y_{ \text{real},i} - y_{ \text{simuliert},i} |

c)

(c) Formuliere eine formale Methode zur Verifikation des oben genannten CPS-Modells eines autonomen Fahrzeugs. Welche speziellen formalen Methoden könntest du in UPPAAL verwenden und wie stellst du die Korrektheit deines Modells sicher?

Lösung:

• Formale Methode zur Verifikation:Die Verifikation eines CPS-Modells eines autonomen Fahrzeugs stellt sicher, dass das Modell in Übereinstimmung mit den spezifizierten Anforderungen und Sicherheitsbedingungen arbeitet. Eine geeignete formale Methode, um dies in UPPAAL durchzuführen, ist die modellbasierte Verifikation mittels zeitbehafteter Automatennetze (Timed Automata). Hierbei werden die Verhaltensweisen und Zustandsübergänge des Modells formell spezifiziert und überprüft, ob diese den erwarteten Eigenschaften entsprechen.
• Verwendete Methoden in UPPAAL:
• 1. Modellierung der Systemkomponenten: Zuerst wird das autonome Fahrzeug als eine Sammlung von zeitbehafteten Automaten modelliert. Jede relevante Komponente (z.B. Sensoren, Steuerungssystem, Aktuatoren) wird durch einen Automaten repräsentiert.
• 2. Spezifizierung der zeitlichen Bedingungen: Zeitabhängige Eigenschaften, wie Reaktionszeiten oder Verkehrsregeln, werden als Invarianten und Zeiterweiterungen in den Automaten definiert.
• 3. Formulierung von Sicherheitseigenschaften: Die zu verifizierenden Eigenschaften (z.B. Kollisionsfreiheit, Einhaltung von Geschwindigkeitsbegrenzungen) werden als logische Aussagen in der Computation Tree Logic (CTL) oder Timed Computation Tree Logic (TCTL) formuliert. Beispiele könnten sein:

  A[] not collision -- Es gibt keinen Zustand, in dem eine Kollision auftritt.A[] car_speed <= speed_limit -- Das Fahrzeug überschreitet nie die Geschwindigkeitsbegrenzung.

• 4. Simulation und Validierung: Das Modell wird in UPPAAL simuliert, um sicherzustellen, dass es in allen möglichen Zuständen und Übergängen den spezifizierten Regeln folgt. Jede Verifikation wird als Satisfiability Check durchgeführt, bei dem untersucht wird, ob die formulierten Eigenschaften im Modell immer erfüllt werden.
• Sicherstellung der Korrektheit:
• 1. Model Checking: Durchlaufen des Zustandsraums des Modells und Überprüfen, ob die spezifizierten Eigenschaften in allen Zuständen erfüllt sind.
• 2. Formale Beweise: Erstellung formaler Beweise für kritische Sicherheitseigenschaften, die nachweisen, dass unter allen Bedingungen keine Verletzung dieser Eigenschaften möglich ist.
• 3. Szenario-basierte Verifikation: Definition spezifischer Szenarien (z.B. Notbremsung, Spurwechsel), um sicherzustellen, dass das Modell in diesen realistischen und kritischen Situationen korrekt arbeitet.
• 4. Verwendung von Bisimulation: Bei komplexen Modellen können reduzierte Modelle (Abstraktionen) verwendet werden. Bisimulationstests überprüfen dann, ob die vereinfachten Modelle das gleiche Verhalten wie das ursprüngliche Modell zeigen.
• Durch die Anwendung dieser formalen Methoden und Verifikationstechniken in UPPAAL kann die Korrektheit des CPS-Modells eines autonomen Fahrzeugs sichergestellt werden, um sowohl funktionale als auch sicherheitsrelevante Anforderungen zu erfüllen.