Bosch Research macht verteilte Systeme verlässlich
Reliable Distributed Systems (RDS) werden das intelligente Rückgrat moderner Produkte.
Die fortschreitende Vernetzung von Computersystemen führt dazu, dass neben Geräten aus der Consumer-Elektronik auch eingebettete Systeme mit der Cloud verbunden werden. Dieser Trend zu verlässlichen verteilten Systemen (engl.: Reliable Distributed Systems, kurz RDS) führt zu tiefgreifenden Änderungen sowohl in unseren Alltagsgewohnheiten als auch in den technischen Geräten, die wir nutzen. Wir streamen Musik und Filme, die wir gerade hören oder sehen wollen, direkt aus der Cloud – ohne CDs, DVDs oder die dazugehörigen Player zu kaufen. Und wir spielen Computerspiele auf einfachen mobilen Geräten, bei denen die aufwendigen Berechnungen auf dem Server des Anbieters laufen. Im Allgemeinen bilden Reliable Distributed Systems die Grundlage für die digitale Transformation und sind das Rückgrat für die modernen Produkte und Dienstleistungen von Bosch.
Technische Grundlage für das automatisierte Fahren – und darüber hinaus
Bosch entwickelt unter anderem Komponenten für das Fahrzeug der Zukunft, das autonom, vernetzt und intelligent fährt. In dieser automatisierten Mobilität übernehmen cyber-physische Systeme (CPS), die mechanische mit informationstechnologischen (IT-) Systemen verbinden, elementare Steuerungs- und Regelungsaufgaben. Sie sind die technische Grundlage dafür, dass das Fahrzeug seine Umgebung versteht, mit ihr interagiert und intelligent handelt und dass in entscheidenden Situationen die Technik schneller reagiert als der Mensch – und damit Unfälle verhindert.
Schon heute werden diese CPS mit Daten wie beispielweise hochauflösenden Karten- oder Funktions-Updates aus der Cloud unterstützt. Damit in Zukunft nicht nur Daten aus der Cloud kommen, sondern auch die Steuerungs- und Regelungsaufgaben dort berechnet werden können, müssen Cloud-Systeme und Netzwerke so erweitert werden, dass sie die Sicherheits- und Echtzeitanforderungen der cyber-physischen Systeme erfüllen können. So werden verteilte Systeme zu Reliable Distributed Systems mit noch wesentlich breiteren Anwendungsmöglichkeiten – von der Automobilindustrie über Industrie- und Gebäudeautomatisierung bis hin zur Robotik.
Verteilt, aber zuverlässig
Reliable Distributed Systems bilden einen Forschungsschwerpunkt von Bosch Research. Unser Ziel ist es, Technologien und Methoden zu erforschen und zu realisieren, mit denen auf durchschnittliche Leistung ausgelegte verteilte IT-Systeme so erweitert werden können, dass sie auch für sicherheitskritische Funktionen genutzt werden können, die harte Echtzeitgarantien benötigen.
Mit Reliable Distributed Systems sind Sensoren und Rechenleistung nicht mehr an ein einzelnes technisches System wie zum Beispiel ein Fahrzeug oder eine Produktionsmaschine gebunden, sondern können effizient von verschiedenen Systemen geteilt werden. Anwendungsfelder für Reliable Distributed Systems sind beispielsweise Industrieautomatisierung in der Fabrik der Zukunft oder die vernetzte infrastrukturbasierte Mobilität von morgen.
Reliable Distributed Systems im Industrieumfeld
In unseren Fabriken wird eine Vielzahl von Automatisierungsprozessen auf sogenannten „Programmable Logic Controllers“ (PLCs) realisiert, die direkt und dediziert an die Produktionsmaschinen gekoppelt sind. Dieser Ansatz bringt die Herausforderungen mit sich, dass einerseits die Software an maschinenspezifische Schnittstellen angepasst werden muss und andererseits an jeder Produktionsmaschine spezifische Hardwareplattformen mit hohen Rechenleistungen vorgehalten werden müssen. Reliable Distributed Systems erlauben uns, die notwendige Rechenleistung in der Fabrik der Zukunft in einer zentralen „On-Premise-Cloud“-Lösung zu bündeln. Unter On-Premise-Cloud verstehen wir zentral in einer Fabrik zur Verfügung gestellte Rechenkapazitäten.
Chancen, Risiken und Voraussetzungen für RDS
Die Flexibilisierung der Softwareinfrastruktur ist eine Grundvoraussetzung für die kosteneffiziente und wandelbare Produktion. Die RDS-Technologie erlaubt es, die Daten vieler Einzelquellen flexibel in Echtzeit zu erfassen und zu fusionieren, um basierend darauf sowohl zeitkritische Automatisierungslösungen als auch datenbasierte Verfahren zur Prozessoptimierung zu realisieren. Die technischen Herausforderungen im Industrieumfeld sind dabei ungleich größer als in der Consumer-Elektronik. So sind beispielsweise Ausfälle von Produktionslinien nicht tolerierbar und gehen mit großen Kosten einher. Bei verteilten und vernetzten Systemen spielt daher die stringente Qualitätskontrolle von der Dienstgüte (engl.: Quality of Service) entlang der gesamten Wirkkette von der Sensorik bis zur Aktorik eine zentrale Rolle. Beispiele sind Betriebssystem-Mechanismen für die strikte Kontrolle der Rechenzeiten, Netzwerke mit Latenzgarantien und ein ausgefeiltes Konzept für Sicherheit (engl.: Safety) auf Systemebene.
RDS für die Mobilität von morgen
Ein weiteres Anwendungsfeld für Reliable Distributed Systems ist die vernetzte, automatisierte Mobilität der Zukunft. Bosch verfügt über eine langjährige Expertise beim Bau von Fahrerassistenzsystemen, die vorrausschauend agieren und einen wichtigen Beitrag zur Verkehrssicherheit leisten. Klassischerweise sind diese Systeme mit ihren Hardware- und Softwareanteilen fest an die Fahrzeugarchitektur gebunden.
Aufgrund der hohen Kosten der benötigten Hardwarekomponenten für zukünftige Systeme zum hochautomatisierten Fahren sowie des damit einhergehenden Energieverbrauchs spielen Reliable Distributed Systems in der Mobilität der Zukunft ihr volles Potenzial aus. Für Fahrfunktionen, die mit RDS-Technologien sicher ausgelagert werden, muss keine Hardware im Fahrzeug mehr vorgehalten werden. Diese Bündelung von Fahrfunktionen in der Cloud reduziert perspektivisch die Gesamtkosten von automatisierten Fahrzeugen und erlaubt es den Herstellern, diese fortschrittlichen Assistenzsysteme auch für Klein- und Mittelklassefahrzeuge anzubieten. Damit steigt die Marktdurchdringung und zugleich signifikant auch die Verkehrssicherheit.
Gleichzeitig ermöglichen Reliable Distributed Systems auch eine Qualitätsverbesserung der Fahrfunktionen und stehen so für einen Paradigmenwechsel in der Mobilität. Bislang nimmt jedes Fahrzeug seine Umgebung individuell wahr und interpretiert sie, unabhängig von anderen Verkehrsbeteiligten. Mit Reliable Distributed Systems gelingt die gemeinschaftliche Perspektive, sozusagen eine Draufsicht auf die Situation, dank derer Informationen von allen Verkehrsbeteiligten zentral in der Cloud fusioniert werden. Auf der Grundlage dieser geteilten Informationen können bessere Entscheidungen getroffen werden. So kann zum Beispiel ein RDS-gestützter Notbremsassistent auf Informationen einer Infrastrukturkamera, beispielweise auf einem Gebäude, reagieren, die ein sich schnell näherndes Fahrzeug erkennt, das aus der individuellen Perspektive nicht zu sehen ist.
Was insbesondere bei der Verlagerung von Funktionen in die Cloud sichergestellt werden muss, ist die Zusicherung von Dienstgüte-Eigenschaften wie Echtzeitverhalten und funktionaler Sicherheit. Bosch Research entwickelt dazu auf allen Ebenen des Technologie-Stacks neuartige Lösungen. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage: Wie können die Vorteile moderner, flexibler und kostengünstiger IT-Technologien mit den Stärken eingebetteter Systeme vereint werden?
Zuverlässiges Gesamtsystem aus mehreren Welten
Prinzipiell sind alle für Reliable Distributed Systems notwendigen Schlüsseltechnologien bereits vorhanden. Bosch Research fusioniert die unterschiedlichen Welten zum funktionierenden, zuverlässigen und ausfallsicheren Gesamtsystem. Auf dem Weg dorthin warten große Herausforderungen. Durch die dynamische Interaktion vieler vernetzter Steuerungssysteme, den Echtzeitbetrieb und die hohe Datendichte ergibt sich eine hohe Komplexität. Daher muss auch der Entwurf, die Simulation und die Validierung moderner Funktionen in einem RDS von den Forscherinnen und Forschern konsequent neu gedacht werden. Mit unserer Forschungsarbeit an Reliable Distributed Systems definieren wir den Stand der Technik neu und ermöglichen dadurch ein neues Produktportfolio im Bereich softwaregesteuerter Systeme.
