Cyber-physical Systems als Treiber des technischen Fortschritts

Die physische Welt umfasst viele Objekte, die aus der Zeit vor der Einführung der Mikroelektronik stammen. Im letzten Jahrhundert waren Objekte wie Gebäude, Verkehrsmittel sowie Haushalts- und Medizingeräte mechanische und elektrische Gegenstände, die aus Beton, Plastik und Metallen gefertigt wurden. Heute werden sie alle mehr und mehr zu Spezialcomputern. Das mag beim Smart Phone offensichtlich sein, aber auch moderne Autos enthalten hunderte vernetzte Prozessoren und der Wert der verbauten Software übersteigt den Wert aller materiellen Teile. Sogar Küchen, Krankenhäuser und ganze Städte setzen cyber-physical Systems ein, um ihre Energieeffizienz, Transportleistung und Sicherheit zu erhöhen.

Die Bezeichnung “cyber-physical Systems” wurde gewählt, um die zunehmende Symbiose zwischen dem Cyberspace und der physischen Welt zu betonen. Der Cyberspace ist der Raum aus Bits und Bytes, den Mikroelektronik und Software erzeugen; einige Programme wie beispielsweise die Textverarbeitung und das Internet haben einen hohen Entwicklungs- und Bedeutungsgrad in der modernen Gesellschaft erreicht. Der Cyberspace und die physische Welt spielen immer häufiger zusammen, sodass sie unser tägliches Leben durchdringen und den technischen Fortschritt treiben. Cyber-physical Systems werden heute großflächig eingesetzt: in Heim, Büro und Fabrik; in Auto, Zug und Flugzeug; in Telefon, Fernsehen und Kühlschrank; in lebenserhaltenden Maschinen, Röntgengeräte und Herzschrittmachern.

Natürlich gibt es strenge Anforderungen an cyber-physical Systems: während es lästig ist, wenn ein Desktop- oder Laptop-Computer mitten bei der Arbeit neu startet, so wäre es katastrophal, wenn ein Steuerungscomputer eines Flugzeugs das Gleiche im Flug machte. Neben enormen Ansprüchen an die Verlässlichkeit müssen solche Systeme so robust und sicher gebaut sein, um unvorhersehbare Umstände bewältigen und bösartige Attacken überstehen zu können. Die Erforschung von Konstruktionsprinzipien bei cyber-physical Systems, die die hohen Ansprüche an Ausfallsicherheit erfüllen, ist eine faszinierende Herausforderung, die alle Stufen vom abstrakten mathematischen Untersuchungen bis zu industrieller Produktentwicklung abdeckt.
Am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) konzentriert sich eine von Thomas A. Henzinger geleitete Forschungsgruppe auf die zugrunde liegenden mathematischen Grundlagen. Die Modellierung, Simulation, Konstruktion und Analyse von cyer-physical Systems erfordert neue mathematische Formalismen, die auch die diskreten Ereignisse, welche den Datenfluss im Cyberspace und die laufenden Prozesse der physischen Welt beherrschen, darstellen können. Als Beispiel sei hier die Veränderung der Temperatur in einem Raum, der Geschwindigkeit eines Autos oder der Pulsfrequenz eines menschlichen Herzens genannt.
Vor ungefähr 25 Jahren leistete Professor Henzinger Pionierarbeit im Bereich der cyber-physical Systems, als er die grundlegenden Eigenschaften dieser neuen Mathematik entdeckte. Seine Theorie der hybriden Automaten aus den frühen 1990er Jahren wurde inzwischen nicht nur tausende Male zitiert, sondern bildet heute die Grundlage für viele praktische Entwicklungen in den cyber-physical Systems. Das zeigt gut den Zeithorizont von Grundlagenforschung auf: ein Vierteljahrhundert von ausschließlich theoretischen Ideen einiger weniger WissenschaftlerInnen zu industriellen Anwendungen, die unsere Lebenswelt verändern.
Der international anerkannte Computerwissenschaftler, der seit 2008 IST Austria-Präsident ist, fungiert als Mitveranstalter der dieswöchigen CPS Week. Zu der vom 11. bis 14. April in Wien stattfindenden Konferenz  werden rund tausend ForscherInnen aus der ganzen Welt in Wien erwartet. Organisiert wird die CPS-Week gemeinsam von IST Austria, der TU Wien und dem AIT Austrian Institute of Technology. Henzinger dazu: „Die CPS Week bietet nicht nur die einzigartige Gelegenheit, weltweit führend WissenschaftlerInnen und ExpertInnen aus dem Bereich der cyber-physical Systems zu treffen, sondern erlaubt auch einen Blick auf das Leben der Zukunft zu werfen“.

Hinweis: Am Mittwoch, den 13. April 2016 um 11:00 findet ein Presse-Briefing zur CPS Week statt.