Cyber-physische Systeme und die Lieferkette

Die Industrie 4.0 hat Fortschritte wie cyber-physische Systeme hervorgebracht, die die Kommunikation von physischen Objekten über das Internet fördern.

Was sind cyber-physische Systeme?

Cyber-physische Systeme (oder CPS) bestehen aus einer nahtlosen Integration von Berechnungen und physischen Komponenten, die durch Algorithmen gesteuert werden. Sie können physische Elemente in einer digitalen Umgebung kopieren, automatisieren und steuern. Nach Angaben der US National Science Foundation beziehen sie Berechnungen, Steuerung und Vernetzung in physische Objekte und Infrastrukturen ein, indem sie diese mit dem Internet und untereinander verbinden.

Zwar sind cyber-physische Systeme dem Konzept des Internet der Dinge (IoT) oder des industriellen Internet der Dinge (IIoT) sehr ähnlich, aber sie sind nicht dasselbe. Laut der Vanderbilt University ermöglicht das Internet der Dinge die Vernetzung aller Arten von Geräten zur Überwachung und zum Datenaustausch. Die cyber-physischen Systeme sind andererseits eng mit physikalischen Prozessen verbunden. Sie bilden die Grundlage für ein IoT, das wiederum fortschrittliche Effizienz und Konnektivität für Geräte und Dienste in verschiedenen Bereichen des cyber-physischen Raums schaffen kann.

Merkmale von cyber-physischen Systemen

CPS oder cyber-physische Systeme und Robotik können miteinander verbunden sein, da diese Technologie in Nanogeräten oder Robotern für die Herstellung von Präzisionsmechanismen eingesetzt werden kann:

Datengesteuert Cyber-physische Systeme sammeln Informationen von Sensoren und IoT-Geräten.
Mobile Sensoren für die Datenfusion Zunächst werden kleine mobile Sensoren in physische Objekte integriert. Die an verschiedenen Stellen eines Netzes gesammelten Daten werden dann zusammengeführt, um neue Informationen mit ausreichend Hintergrund und Wissen aus allen Quellen zu erstellen.
Modell-Trainer Sind die Daten erst einmal kontextualisiert, können cyber-physische Systeme zum Training von Modellen der künstlichen Intelligenz verwendet werden.
Mit simulationsbasierten Designs Ihr Design erfolgt durch umfangreiche Simulationen, die ein Feedback in Echtzeit der physikalischen Eigenschaften liefern.
Autonom Sowohl die Hardware als auch die Software von cyber-physischen Systemen sind intelligent, genau und reaktionsschnell. Sie können das Verhalten physikalischer Systeme ohne manuelle Steuerung oder menschliches Eingreifen berücksichtigen.
Mit Kommunikation in Echtzeit IoT-Sensoren und andere vernetzte Geräte sammeln kontinuierlich Informationen und können die Erfahrungen analysieren. So können sie Verbesserungen herbeiführen, umsetzen und ihre eigene Effektivität steigern.
Sicher und privat Cyber-physische Systeme können Mechanismen zur Verschleierung der Identität der Nutzer und zur Anonymisierung der Daten enthalten. Diese Mechanismen werden eingesetzt, bevor die Daten zur Modellierung und Steuerung von Attributen des physischen Datenbankdesigns dieser Systeme genutzt werden.

Cyber-physische Systeme bestehen aus Software, Hardware und Komponenten für die Konnektivität

Wie ist ein cyber-physisches System aufgebaut?

In diesen anwendungsgesteuerten Systemen sind die Sensoren das Eingangstor zu Algorithmen der künstlichen Intelligenz, die in der Cloud ausgeführt werden. Diese Elemente bilden die CPS und sorgen dafür, dass sie im cyber-physischen Raum funktionieren:

Hardware Sensoren und alle Arten von elektrischen, elektronischen, hydraulischen, mechanischen, mechatronischen oder pneumatischen Systemen.
Software Algorithmen, die anhand der gesammelten Informationen intelligente Entscheidungen treffen.
Komponenten für die Konnektivität Sie kommunizieren mit anderen Systemen, um nützliche Daten zu erzeugen und auszutauschen.

Beispiele für cyber-physische Systeme

Durch die Integration von Rechen-, Datenspeicher- und Kommunikationsfunktionen mit der Steuerung von Objekten in der physischen Welt können neue Lösungen für Szenarien wie die folgenden entwickelt werden:

Steuerung von Maschinen zur Verbesserung ihrer Leistung.
Überwachung des Zustands von Systemen und deren Optimierung durch prädiktive Instandhaltung.
Zusammenarbeit und Lernen zwischen Robotern Cyber-physische Systeme und Roboter existieren nebeneinander, z. B. wenn AMRs über eine Flottenmanagementsoftware Lagerpläne untereinander austauschen.
Fahrzeuge, die Informationen mit der Infrastruktur oder untereinander austauschen und so die optimale Route oder Geschwindigkeit wählen.

Cyber-physische Systeme werden zur Steuerung von Maschinen und für das Lernen von Robotern eingesetzt

Unterschiede zwischen cyber-physischen Systemen und dem IoT

Cyber-physische Systeme zeichnen sich durch eine rechnergestützte Rückkopplungssteuerung der physischen Welt in Echtzeit aus. Darüber hinaus gibt es viele weitere Aspekte, die sie vom Internet der Dinge unterscheiden:

Cyber-physische Systeme	Internet of Things
CPS überwachen und steuern physische Prozesse	Das IoT dient der Schaffung eines Netzes miteinander verbundener Geräte, die Daten sammeln und austauschen
Sie stellen eine physische Integration mit vernetzten Cyberkomponenten dar	Sie enthalten physische Geräte, die mit Sensoren im Internet verbunden sind
Sie sind komplexer als IoT-Geräte	Sie sind relativ einfach
Cyber-physische Systeme sind so konzipiert, dass sie mit physischen Prozessen interagieren und diese steuern	IoT-Geräte sind für eine Interaktion mit Datenzentren ausgelegt
Die CPS erfordern eine Datenanalyse in Echtzeit, um den ordnungsgemäßen Betrieb der physischen Systeme zu gewährleisten	Das Internet der Dinge erzeugt große Mengen an Daten, die analysiert werden können, um mehr über das Nutzerverhalten, Produkte und andere Faktoren zu erfahren
Beispiele für CPS sind autonome Fahrzeuge, industrielle Automatisierungssysteme und medizinische Geräte	Intelligente Thermostate, Sportüberwachungsgeräte und Haussicherheitssysteme können das Internet der Dinge nutzen

Anwendungsbereiche von cyber-physischen Systemen

Cyber-physische Systeme gewinnen durch die Rückkopplung zunehmend an Daten, weshalb sie in zahlreichen Industriezweigen und auch in der Lieferkette eingesetzt werden:

Intelligente Fabriken Diese Arbeitsplätze nutzen CPS zur Steuerung von Produktionsprozessen oder zur Überwachung ihres Energieverbrauchs. Cyber-physische Systeme und Roboter bilden ein Tandem.
Unterstützte Medizin Ein Beispiel sind assistierte medizinische Instrumente, die bei chirurgischen Eingriffen verwendet werden. Ein anderes sind bionische Prothesen.
Autonome Fahrzeuge, Drohnen und domotische Häuser.

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