Definition Cyber-physisches System | CPS Was ist ein Cyber-physisches System (CPS)?

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Ein Cyber-physisches System besteht aus mechanischen Komponenten, moderner Informationstechnik und Software. Die Systeme und Komponenten sind über Netzwerke verbunden und tauschen Daten wie Statusinformationen oder Steuerbefehle aus. CPS lassen sich zur Steuerung und Kontrolle komplexer Anlagen und Infrastrukturen einsetzen. Über ihre mechanischen Komponenten üben sie Einfluss auf physikalische Vorgänge aus. Cyber-physische Systeme sind zum Beispiel in kritischen Infrastrukturen zu finden.

Das Akronym für Cyber-physisches System lautet CPS. Ein Cyber-physisches System setzt sich aus mechanischen und elektronischen Komponenten zusammen. Es besteht aus mechanischen Teilen, Software und moderner Informationstechnik. Die Komponenten und Systeme sind miteinander vernetzt und tauschen Daten wie Sensordaten, Statusinformationen und Steuerinformationen aus. Zur Vernetzung können sowohl private Netzwerke als auch öffentliche Netze wie das Internet zum Einsatz kommen. Die Kommunikation findet in Echtzeit über drahtlose oder kabelbasierte Verbindungen statt. Cyber-physische Systeme können sehr groß sein und aus vielen tausend Komponenten und Einzelsysteme bestehen, aber auch in Form einzelner Geräte realisiert sein.

CPS sind in der Lage, komplexe Systeme und Infrastrukturen zu überwachen und zu steuern. Mithilfe ihrer mechanischen Komponenten können sie mit der physischen Welt wechselwirken. Cyber-physische Systeme sind zum Beispiel in kritischen Infrastrukturen (KRITIS) zu finden. Auch für die Prozesse der Industrie 4.0 spielen Cyber-physische Systeme eine wichtige Rolle. Die technische und theoretische Basis für die Funktionen und Möglichkeiten eines CPS werden von Ingenieur- und Naturwissenschaften wie Maschinenbau, Elektrotechnik, Robotik, Informatik, Mathematik und Physik bereitgestellt.

Komponenten, Aufbau und Funktionsweise Cyber-physischer Systeme

In einem Cyber-physischen System arbeiten viele verschiedene Komponenten zusammen. Sensoren erfassen physikalische Daten, Aktoren wirken auf physikalische Vorgänge ein, informationstechnische Systeme und ihre Software wie eingebettete Systeme verarbeiten, analysieren und speichern Daten, kabelgebundene oder drahtlose Netzwerktechnik ermöglicht den Informationsaustausch in Echtzeit und Mensch-Maschine-Schnittstellen erlauben eine Kommunikation und Interaktion des Menschen mit dem CPS. Aus den von den Sensoren erfassten Daten lassen sich mit der Software und Informationstechnik Steuerdaten erzeugen, die an Aktoren weitergegeben und von diesen umgesetzt werden. Die Systeme sind in der Lage, die physische Umgebung wahrzunehmen und sie über ihre Aktoren zu beeinflussen. Sie agieren in vielen Bereichen autonom, lassen sich aber auch von Menschen bedienen und steuern. Menschen wirken auf die Systeme ein, indem sie über Mensch-Maschine-Schnittstellen Informationen abfragen, Abläufe konfigurieren oder Steuerinformationen eingeben.

Anwendungsbereiche Cyber-physischer Systeme

Cyber-physische Systeme sind in vielen Bereichen einsetzbar. Sie werden beispielsweise verwendet, um intelligente Stromnetze (Smart Grids) oder moderne Produktionsprozesse der Industrie 4.0 zu steuern. Weitere Einsatzbereiche sind die intelligente Gebäudesteuerung, Klimatechnik, Trinkwasserversorgung, Steuerung von Verkehrssystemen und Verkehrsflüssen, Logistik, Umwelttechnik, Verteidigungstechnik, Tsunami- oder Erdbebenwarnsysteme, militärische Flugabwehrsysteme, Agrartechnik, autonomes Fahren und Fahrerassistenzsysteme, Raumfahrt, Telekommunikationsnetze und vieles mehr.

Vor- und Nachteile eines Cyber-physischen Systems

Typische Vorteile Cyber-physischer Systeme sind:

• ermöglichen die Steuerung und Überwachung komplexer Systeme in Echtzeit

• anpassungsfähig und flexibel einsetzbar

• ermöglichen autonome Prozessabläufe

• lassen menschliche Interaktion und Steuerung zu

• sind komfortabel über Benutzerschnittstellen steuer- und konfigurierbar

• verbessern die Arbeitssicherheit

• erhöhen Effizienz, Qualität und Geschwindigkeit von Prozessabläufen

Als Nachteile von CPS lassen sich aufführen:

• hohe Komplexität der Technik führt unter Umständen zu Fehleranfälligkeit

• Ausfall einzelner Komponenten oder des Netzwerks kann ohne entsprechende Absicherung zur Störung kompletter Prozesse führen

• Vernetzung über öffentliche Netzwerke bietet Angriffsfläche für Cyber-Attacken

• unpassende Reaktionen auf unvorhergesehene Ereignisse können zu Schäden und Ausfällen führen

• autonome Arbeitsweise führt unter Umständen zu unerwünschten Ergebnissen

• Verlust von Arbeitsplätzen durch Automatisierung von Prozessen

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