Die Zukunft dynamischer Systems-of-Systems – Virtuelle Abschlussveranstaltung und Ergebnispräsentation

Seit Anfang 2022 beschäftigen wir uns am Fraunhofer IESE mit dem Projekt DynaSoS. Darin untersuchen wir, wie sich die Forschung im Bereich des Software Engineering aufstellen sollte, um Systeme zu entwickeln, die zur Lösung drängender Herausforderungen der heutigen Zeit benötigt werden. Die Energie- oder Mobilitätswende und weitere Wandlungen bedingen die Entwicklung von dynamischen Systemen aus Systemen (Systems-of-Systems). Trotz der hohen Komplexität, Dynamik und Autonomie dieser dynamischen Systems-of-Systems (dynaSoS) muss man sich auf ihr Verhalten verlassen können. Vor diesem Hintergrund wurde im Projekt DynaSoS der aktuelle Stand der Wissenschaft und Technik erhoben. Weiterhin wurde eine Vision entwickelt, die aufzeigt, wohin sich solche Systeme in den nächsten Jahren in unterschiedlichen Domänen entwickeln werden und was dies für das zukünftige Software Engineering bedeutet.

Im Blogbeitrag »Zukunftsvision: Dynamische Systems-of-Systems als Systemlandschaften von morgen« beschreiben wir insbesondere für sechs unterschiedliche Domänen, wie entsprechende Anwendungsfälle aussehen können. Zudem leiteten wir für einige dieser Anwendungsfälle konkrete Beispielsysteme ab. So ist es möglich, spezifische Anforderungen an solche Systems-of-Systems (SoS) aus Sicht des Software Engineerings darzustellen. Einige Beispielsysteme sind nachfolgend kurz skizziert (mehr Details sind unter den Links auf der Projektwebseite zu finden):

• Dynamisch rekonfigurierbare Produktion mittels dynamischer Systems-of-Systems: In dem Beispielsystem der dynamisch rekonfigurierbaren Produktion mittels virtueller Produktionslinien wird vor allem der Aspekt der dynamischen Adaptivität von SoS im Kontext von Smart Manufacturing deutlich. Dieser wird sowohl mit dem fähigkeitsbasierten Ansatz zur Produktionsplanung als auch mit dem fraktalen Manufacturing Execution System adressiert. Das Potenzial von Fähigkeitsbeschreibungen als einem Teil der Selbstbeschreibung von Systemen ist hier klar erkennbar. Denn mittels der funktionalen Abstraktion von Fähigkeitsbeschreibungen lassen sich Systeme herstellerunabhängig miteinander vergleichen und orchestrieren. Damit können sich SoS zukünftig (teil-) automatisiert und dynamisch an ihre Zielvorgaben anpassen. Die Zuverlässigkeit eines SoS wird durch Feasibility-Checks sichergestellt, die potenzielle Lösungen auf ihre Realisierung hin validieren. Die standardisierte Kommunikation innerhalb eines SoS-Verbundes wird durch das Konzept der Verwaltungsschale und der dazugehörigen Referenzimplementierungen mit Eclipse BaSyx umgesetzt.
• Städtische Nachhaltigkeit durch dynamische Systems-of-Systems: Aktuell sind Entwicklungen wie der demografische Wandel, die zunehmende Verstädterung, der Klimawandel oder veränderte Arbeitsgewohnheiten zu beobachten. Zwänge der Städte, wie z.B. die Konkurrenz zwischen verschiedenen Raumnutzungen oder die Ressourcenknappheit (Wasser, Energie, Geld, Fähigkeiten) führen dazu, dass Städte einen Informationsaustausch zwischen verschiedenen Systemen und Diensten benötigen. Nur so können anstehende Probleme bewältigt werden. Konkrete Beispiele sind der »temporäre Wald« oder Regenereignisse bei besonderer Trockenheit. Herausforderungen wurden insbesondere in den Bereichen der Kommunikation und Interoperabilität, bei Qualitätsaspekten, bei Anbetracht der Rolle lernender Systeme und Daten oder auch im Bezug auf Virtualisierung und Simulation herausgearbeitet.
• Smarte Lieferzonen als dynamisches Systems-of-Systems: Der Anwendungsbereich »smarte« Mobilität ist sehr komplex. Die Zuweisung der Eigenschaft »smart« bedeutet oft nur eine vage Abgrenzung zum Status quo und ist häufig eher Ausdruck des Wunsches, »es in Zukunft besser zu machen«. Deshalb müssen wir im Anwendungsbereich Mobilität vor allem die heutigen Herausforderungen beachten – beispielsweise die Dekarbonisierung des Verkehrssektors oder die Senkung hoher Kosten von Mobilität in einer Gesellschaft, die auf Mobilität angewiesen ist. Gleichzeitig gilt es die Chancen neuer Technologien (wie autonomes Fahren) zu erkennen und deren Vorteile nutzbar zu machen. Im entwickelten Anwendungsfall für Systems-of-Systems im Bereich »Smart Mobility« wurde eine sogenannte »DynaZone« betrachtet. Darin wird beispielhaft gezeigt, wie eine orts- und zeitpräzise Reservierung und Nutzung von intelligenten Ladezonen (synonym zu »Smart Parking Spaces«) durch bestimmte Verkehrsteilnehmende ermöglicht werden kann.
• Dynamisch und vernetzt: Wie digital wird der Pflanzenschutz in Zukunft sein? In der modernen Landwirtschaft, also der digitalen und intelligenten Landwirtschaft, geht es vor allem im Ackerbau um hohe Präzision. Sie führt zu gesteigerter Produktivität, höherer Rentabilität, verbesserter Nachhaltigkeit und Verbraucherschutz. Dank digitaler Konnektivität können intelligente landwirtschaftliche Geräte Daten miteinander austauschen bzw. in Beziehung setzen. Dazu sammeln u. a. mit Sensoren ausgestattete Drohnen und Satelliten Daten aus der Ferne, um beispielsweise den Bodenzustand und die Pflanzenversorgung zu bewerten sowie Schädlinge und Krankheiten zu entdecken. Somit können präzise feldspezifische Informationen an die Farmmanagementinformationssysteme (FMIS) weitergegeben und durch Landwirt*innen für ihre zahlreichen täglichen Entscheidungen genutzt werden. Da die Landwirtschaft sich in einem komplexen System mit vielen unterschiedlichen Systemen befindet, müssen überwiegend multikriterielle Probleme gelöst werden. Die Basis dafür bildet eine ausreichende (technische) Interoperabilität zwischen unterschiedlichen Systemen und Daten. Ebenfalls ist eine entsprechende Datenqualität essenziell. Vor allem in den aufstrebenden Technologien treten Herausforderungen auf, die es noch zu lösen gilt – beispielsweise die semantische Umgebungswahrnehmung bzw. Hinderniserkennung im Bereich autonome Systeme. Fragen der Datenspeicherung und der Datenverarbeitung sind ebenfalls noch unbeantwortet, und auch das Zusammenspiel zwischen zentralen und dezentralen Plattformen ist noch offen.

Basierend auf den beschriebenen Anwendungsbereichen und Beispielsystemen erhob unser Team im Projektverlauf weitere Anforderungen an dynamische Systems-of-Systems. Aktuell werden diese in einer Landkarte verortet und zu Forschungsthemenclustern zusammengefügt. So lassen sich konkrete Fragestellungen ableiten und schließlich in einer Roadmap darstellen.