fast – fast actuators sensors and transceivers – echtzeitfähige vernetzte Sensor- und Aktorsysteme

Der Problemraum

Vision

Ein Tag im Leben von Herrn Fast im Jahre 2020: Fabian Fast fährt mit seinem neuen Auto zur Arbeit. Seit der Einführung der dynamischen flächendeckenden Verkehrsleitsysteme läuft es wesentlich flüssiger als früher. Plötzlich springt ein Kind auf die Straße. Er reagiert zu spät, aber dank der echtzeitfähigen Notfallsteuerung weicht sein Auto bereits nach wenigen Millisekunden selbstständig aus und bremst. Dem Kind ist nichts passiert. Über das Car-to-X-System kommt auf der nebeligen Autobahn eine Stauwarnung wegen eines Unfalls. Automatisch wird die Geschwindigkeit seines Autos gedrosselt und eine Karambolage vermieden. Die Systeme sind im Auto über echtzeitfähiges Ethernet mit 10 Gb/s vernetzt. Er hat ganz vergessen, dass seine Tochter morgen Geburtstag hat und sich dieses neue Soundsystem wünscht, das je nach Tanzstil den Takt und den Musikstil in Echtzeit anpasst. Zum Glück hat er auch Internet im Auto. Über die Sprachfunktion bestellt er das Geschenk.

Herr Fast hat ganz klein angefangen mit seinem Unternehmen. Seit er die echtzeitfähigen Kommunikationssysteme auf den Markt gebracht hat, kann er sich vor Aufträgen kaum noch retten. Durch die Einführung der echtzeitfähigen Werkstück- und Maschinenprüfsysteme konnte er die Produktivität massiv erhöhen. Die Effizienz seiner Windkraftanlage konnte durch ein Echtzeitsteuersystem verbessert werden. Nächste Woche muss er sich operieren lassen. Er wohnt in einer kleinen Ortschaft im Harz. Deshalb ist es schwierig für ihn einen Arzttermin zu erhalten und Spezialisten sind 200 km entfernt. Er war deshalb froh, dass er gestern die Voruntersuchung zu Hause per Ferndiagnostik machen lassen konnte. Sein Sohn Jan hat kürzlich im Kanusport einen Meistertitel gewonnen. Durch das Training mit einem echtzeitfähigen Bewegungserfassungssystem konnte Jan seine Technik wesentlich verbessern. Jan arbeitet in einer kleinen Firma in Radeberg, die extrem schnelle Steuer-ICs für Elektromotoren in 14 nm CMOS entwickelt. Dank eines Exo-Skeletts, das als Gehhilfe dient, kann Opa Fast wieder ohne Rollstuhl einkaufen gehen. Opa Fast, ein emeritierter Professor, erzählt immer wieder voller Begeisterung vom Zwanzig20-Projekt fast, welches durch echtzeitfähige vernetzte Sensor- und Aktorsysteme mit Reaktionszeiten von nur 1-10 ms die Bereiche Kommunikation, Sicherheit, Mobilität, Produktion und Gesundheit revolutioniert hat.

Herausforderungen

Sensor- und Aktorsysteme sind schon heute dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie machen das Leben einfacher (u.a. durch Navigationssysteme) und Fahrzeuge sicherer (z.B. durch bildgebende Assistenzsysteme); unterhalten (mittels Spielkonsolen); schonen die Umwelt (u.a. durch smarte Motorregelungen); steigern die Produktivität der Industrie; optimieren die Logistik; und verbessern Lebensqualität und Gesundheit.

In Zukunft ist insbesondere die innovative Vernetzung und Steuerung von Sensoren und Aktoren sehr wichtig. Die Anzahl der Sensor- und Aktorkomponenten pro System steigt stetig. Heterogene Sensordaten werden oft in möglichst geringer Verarbeitungsstufe in zentralen Steuereinheiten zusammengeführt, um bei der Auswertung und Aktorik möglichst flexibel zu sein. Dies erfordert sehr hohe Kommunikationsbandbreiten. Häufig sind zuverlässige drahtlose Kommunikationsnetze die Schlüsseltechnologie für neue Applikationen. In vielen Anwendungen spielt die Sicherheit, z.B. bzgl. Angriffen von außen oder Fehlfunktionen (auch durch unerwünschte Verzögerungen) eine zentrale Rolle. Sicherheitsfördernde Techniken (z.B. durch Redundanz) führen zu einer weiteren Erhöhung des Bandbreitenbedarfs. Zunehmend werden autarke energieeffiziente Systeme benötigt. Dazu kommt ein enormer Kostendruck.

Eine der zentralen Herausforderungen für viele zukünftige komplexe Sensor- und Aktorsysteme ist die Echtzeitfähigkeit, d.h. dass Systeme ohne merkliche Verzögerung reagieren. Die Echtzeitfähigkeit ist Grundlage vieler neuer Funktionen in den Bereichen Kommunikation, Verkehr, Mobilität, Industrie, Sicherheit, Gesundheit und Sport.

Stand der Technik

Für einzelne lokale Teilsysteme, wie beispielsweise Airbags, werden Echtzeitanforderungen bereits erreicht. So benötigt ein Airbag bereits heute nur wenige Millisekunden von der Detektion des Aufpralls bis zu seiner Aktivierung. Für komplexe Systeme, welche aus mehreren bzw. zahlreichen Sensoren und Aktoren bestehen, die über zentrale Steuereinheiten vernetzt werden (u.a. drahtlos), wird Echtzeitfähigkeit für viele Anwendungen unzureichend bzw. nicht durch den Stand der Technik ermöglicht. Dieser Problemraum wird durch fast adressiert.
 

Die Ziele

fast hat das klare Ziel, wissenschaftlich, technisch und ökonomisch weltweit Führer im Bereich von echtzeitfähigen, komplexen, vernetzten Sensor- und Aktorsystemen zu werden.

Technologie

fast
strebt einen technischen Durchbruch an, um Echtzeitfähigkeit für komplexe vernetzte Sensor-/Aktorsysteme zu ermöglichen. Einschließlich der Sensordatenaufnahme, Datenübertragung, Verarbeitung und Aktoraktivierung sollen Systemlatenzzeiten im Millisekundenbereich erreicht werden. Somit ist der Weg frei für zahlreiche attraktive neue Funktionalitäten und Anwendungen. Dies ist insbesondere für komplexe Systeme, deren Regelung über zentrale Steuereinheiten erfolgt und die flächendeckend über Mobilfunk kommunizieren, eine große Herausforderung. fast erforscht Systemarchitekturen, erstellt Anforderungsanalysen und optimiert systematisch Teilkomponenten. Die Ansätze werden durch Demonstratoren auf zukunftsträchtigen Technologie- und Anwendungsfeldern verifiziert.

Erhöhung der Wertschöpfung durch bundesländerübergreifende Symbiosen

Die fast-Thematik ist sehr multidisziplinär. Um einen nachhaltigen Technologiedurchbruch zu erreichen, ist eine Vernetzung der kompletten Wertschöpfungskette von Materialien, Halbleitertechnologie, Komponenten und Software bis hin zu komplexen Systemen, Kommunikationsnetzen auf diversen Anwendungsgebieten von zentraler Bedeutung. Somit sind eine ganzheitliche technische Optimierung und eine umfangreiche Verwertung sichergestellt.

Des Weiteren sind Kompetenzen im Vertrieb & Service notwendig. Zwar sind zahlreiche Einzelkompetenzen in den neuen Ländern zum großen Teil vorhanden, jedoch sind diese derzeit unvollständig vernetzt. In spezifischen Bereichen ist es sehr zweckmäßig, diese Kompetenzen mit Kompetenzen von Partnern aus den alten Bundesländern zu ergänzen. Eines der zentralen Ziele ist die bundesländerübergreifende Vernetzung der Kompetenzebenen, um so eine hohe Wertschöpfung und kundenorientierte Komplettlösungen in Ostdeutschland zu ermöglichen. Das fast-Netzwerk ist bereits in der Initialzusammensetzung weltweit einzigartig und sehr kompetitiv aufgestellt.

Überregionale Vernetzung

Zahlreiche Aktivitäten werden in fast lanciert, um die überregionale Vernetzung zu stärken. Diese Aktivitäten basieren auf dem fast-touring Konzept, welches im Wechsel Aktivitäten in allen involvierten Bundesländern an zentralen Standorten vorsieht, z.B. Workshops an alternierenden Orten; eine Wanderausstellung; Lehrveranstaltungen, die von Dozenten an beteiligten Unis und Hochschulen gehalten werden; gemeinsame Schülertage; Firmengründungsberatungsteam besucht potentielle Firmengründer vor Ort; bürgernahe PR-Aktionen in diversen Stadtzentren plus Verteilung von Flyern sowie soziale Events (z.B. Wandertag).

Bildung

fast
wird die interdisziplinäre und überregionale hochkarätige Ausbildung in Ostdeutschland katalysieren.

Ausstrahlung

Die Sichtbarkeit auf regionaler sowie internationaler Ebene ist von großer Bedeutung.

Technologietransfer

Die Forschungsergebnisse von fast werden für die industrielle Nutzung sehr wichtig sein. Die adressierten Themen generieren eine hervorragende Basis für Firmengründungen. Transfermaßnahmen und professionelle Unterstützung werden angeboten.

Volkswirtschaft

fast
wird als Katalysator für Ostdeutschland und Deutschland wirken. So wird die Schaffung von zahlreichen Arbeitsplätzen erwartet.

Betriebswirtschaft

Durch fast soll das Konsortium weltweiter Marktführer im Bereich der echtzeitfähigen, vernetzten Sensor- und Aktorsysteme werden. Fokussiert wird auf Themen, welche wissenschaftlich besonders herausfordernd sind, aber zugleich hohes Marktpotential aufweisen.
 

Die thematischen Schwerpunkte

Sensor- und Aktorsysteme sind von zentraler Bedeutung für den Fortschritt in nahezu allen Bereichen des Lebens. Experten schätzen, dass im Jahre 2017 jeder Mensch täglich etwa 1.000 Sensoren nutzen wird (Quelle: WWRF) und das Marktvolumen im Sensorbereich 76,7 Milliarden US$ betragen wird (Quelle: Global Industry Analysts). In Zukunft wird die Anzahl von Sensoren und Aktoren pro System stark steigen, z.B. > 200 im Auto.

Daraus resultiert ein ungelöster Problemraum: Um bessere und neue Funktionalitäten zu ermöglichen, müssen diese für viele Anwendungen in Echtzeit vernetzt werden. Durch die Verarbeitung über eine zentrale intelligente Steuereinheit können die Daten optimal verteilt und die Kosten stark gesenkt werden, da sehr einfache Sensoren und Aktoren eingesetzt werden können. Der komplette Vorgang von den Sensoren über die Datenübertragung, Steuereinheit bis zu den Aktoren soll ohne merkliche Verzögerung erfolgen. Dies ist insbesondere eine große Herausforderung für Systeme, die eine hohe Anzahl an Sensoren und Aktoren flächendeckend über Mobilfunk vernetzen.
fast strebt hier einen bedeutenden Technologiesprung an: Die Geschwindigkeit der Systeme soll möglichst nahe an die maximal mögliche physikalische Begrenzung – die Lichtgeschwindigkeit von 300 000 km/s – herankommen. fast will die Systemverzögerungen auf 1-10 ms reduzieren, um einen Durchbruch für eine breite Anwendungspalette zu ermöglichen. Dies schließt Anwendungen in allen 5 Bedarfsfeldern (Kommunikation, Sicherheit, Mobilität, Energie und Gesundheit) gemäß der Hightech-Strategie der Bundesregierung ein. Beispiele für Anwendungen sind z.B. extrem schnelle, automatische Gefahrenbremsung, Freiraumanalyse und Ausweichassistenz für Autos; 10 Gb/s Ethernet im Auto; körperhaltungsabhängige Airbagfunktionen; hochauflösender bildgebender Radar bei 94 GHz für Flugzeuge, Gepäck- und Grenzkontrollen; Steuerung von Maschinen in Echtzeit; echtzeitfähige Werkstückprüfung; Bewegungsanalyse und -optimierung für Sportler und in der Pflege; interaktive Exo-Skelette z.B. als Gehhilfen (Option zum unflexiblen Rollstuhl); und Fernbehandlung von Patienten.

Zu den Lösungsansätzen zählen u.a. extrem schnelle und energieeffiziente Halbleitertechnologien, sehr hohe Operationsfrequenzen und Bandbreiten, parallele Verarbeitung, Vermeidung von latenzzeitgenerierender Datenkompression, optimiertes Datenrouting, adaptive Datenpakete, Latenzzeitoptimierung von Mobilfunk, Kommunikationsprotokollen und Cloud-Computing, sowie hohe Sicherheit trotz geringer Latenzzeiten.
 

Die Partner

Die fast-Initialpartner bestehen aus 22 KMU, 15 Großunternehmen, 6 Universitäten, 3 Forschungsinstituten, 3 sonstigen Partner und einem Verein. Diese 50 Initialpartner umspannen die komplette Kompetenz- und Wertschöpfungskette von Materialien, Halbleitern, Komponenten und Software bis hin zu komplexen Systemen und Kommunikationsnetzwerken. Aus dieser multidisziplinären Stärke heraus wird fast die Kompetenz und Wettbewerbsfähigkeit in den ostdeutschen Bundesländern massiv ausbauen. Mittels „Touring-Aktivitäten“, die im Wechsel in allen 9 involvierten Bundesländern stattfinden, wird eine symbiotische überregionale Vernetzung ermöglicht.
 

Kontakt

Frank Ellinger
Prof. Dr. sc. techn. habil. Dipl. Betriebswissenschaften
Head of Chair for Circuit Design and Network Theory
Dresden University of Technology
Barkhausenbau 119
Helmholtzstrasse 18
01069 Dresden
Tel: 0351 46338735
E-Mail: Frank.Ellinger[at]tu-dresden.de
http://ccn.et.tu-dresden.de/
www.fast-zwanzig20.de

 

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