Smart Systems

Was ist ein smartes System?

Wenn wir verstehen wollen, wie smarte Systeme funktionieren, müssen wir nicht unbedingt technologisch denken. Ein uns allen bekanntes, smartes System ist der Menschen selbst. Aber wie funktionieren smarte Systeme im technologischen Sinne? Wir erklären es.

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Was ist ein smartes System?

Wenn wir verstehen wollen, wie smarte Systeme funktionieren, müssen wir nicht unbedingt technologisch denken. Denn: ein uns allen bekanntes, smartes System ist der Menschen selbst. Wir Menschen nehmen Umgebungssignale über unsere Sinne (Hören, Riechen, Schmecken, Fühlen) auf. Nervenbahnen leiten diese Informationen an das Gehirn. Dieses verarbeitet und bewertet die Informationen und bezieht hierbei unsere Erfahrungen ein.  Auf dieser Basis trifft es komplexe Handlungsentscheidungen und gibt entsprechende Impulse an die Muskeln unseres Körpers.

Ein smartes System im technologischen Sinne bildet diesen Prozess nach. Wie genau es automatisiert Handlungsentscheidungen trifft und welche Bestandteile hierbei miteinander interagieren, zeigen Grafik 1 und 2.


Die grundlegenden Bestandteile eines smarten Systems.


Die grundlegenden Bestandteile eines smarten Systems und ihre Funktionen.

Der Start: Signalerfassung (Sensorik)

Smarte Systeme beschreiben, diagnostizieren und qualifizieren eine komplexe Umgebungssituation auf der Basis von Daten. Die Datenerfassung erfolgt in den meisten Fällen über Sensoren. Ein Sensor ist – genau wie die menschlichen Sinnesorgane – in der Lage, Signale unterschiedlicher Art zu erfassen. Zu den am häufigsten erfassten Signalen zählen Temperatur, Feuchtigkeit, Schall, Beschleunigung, Drehrate und Zusammensetzung. Weil die zu erfassenden Situationen häufig sehr komplex sind, werden in einem System zumeist Signale unterschiedlicher Sensoren erfasst (Multi-Sensor).
Die Sensoren wandeln die spezifischen Signale in elektrische Messsignale um, die ihrerseits Basis für die Analyse und Handlungsentscheidung des Systems sind.

Das Ziel: Die Handlung (Aktorik)

Aktoren sind Bauelemente, die auf Basis der Datenauswertung Aktionen triggern oder durchführen. Konkret bedeutet das, dass sie – wie es elektrische Impulse in menschlichen Muskeln tun – elektrische Antriebsenergie in mechanische Arbeit umsetzen. Aktoren werden mit einer entsprechenden Zielfunktion angesteuert, z.B. das Ein- und Ausschalten von Lichtern oder die Steuerung von Maschinen. Damit sind sie – vereinfacht ausgedrückt – die Schnittstelle zwischen dem smarten System und der realen Welt.
Neben dem Triggern von Handlungen ist es speziellen Aktoren ebenfalls möglich, Daten für das umfassende Verständnis der Situation, z.B. aus Ultraschall oder akustische Signale, zu erfassen und zu liefern.

Der Kern eines smarten Systems: Datenverarbeitung, Wissensspeicher und künstliche Intelligenz

Warum wir heute von „smarten“ Systemen sprechen, liegt an der Art, wie diese mit von ihnen gewonnenen Informationen umgehen. Denn immer mehr ähneln die informationsverarbeitenden Prozesse denen im menschlichen Gehirn. Durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) und Maschine Learning-Algorithmen haben smarte Systeme das Potential komplexe Sachverhalte sogar schneller und besser zu erkennen als der Mensch selbst.
Um dies zu erreichen, ist die Prozessierung der Messdaten eine entscheidende Voraussetzung. Die Datenverarbeitung umfasst dabei die verschiedenen Prozesse der Datenanalyse – von der Datenvorverarbeitung, der Datenmittlung und Berechnung von Größen bis hin zum Abgleich mit Schwell- und Grenzwerten. In diesem Prozess wird auf bekannte Zusammenhänge, Algorithmen, Regeln und Daten für die Entscheidungsfindung zurückgegriffen, die in einem Wissensspeicher bzw. einer Datenbank hinterlegt sind. In dieser Datenbank werden auch Sensordaten, historische Daten oder Benutzerinformationen gesammelt, auf die bei der Entscheidungsfindung ebenfalls zurückgegriffen werden kann.
Je nach Applikation ist die Datenanalyse immer häufiger auch mit den Methoden der Künstlichen Intelligenz möglich. KI hilft dem System, dazuzulernen, komplexe Zusammenhänge zu erkennen, Vorhersagen zu treffen und seine Entscheidungen und Aktionen kontinuierlich zu verbessern.
Nur smarte Systeme sind also in der Lage, ihre Umgebung in einer gegebenen komplexen Situation zu beschreiben, zu diagnostizieren und zu qualifizieren, Vorhersagen bzw. Entscheidungen zu treffen und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen.

Damit sie das können, sind neben der Datengewinnung, Analyse und Entscheidungsfindung noch weitere Bestandteile für die Funktionsfähigkeit des smarten Systems essenziell.

Funktionsfähigkeit des smarten Systems: Die grundlegenden Bestandteile bzw. Komponenten

In einem smarten System gibt es grundlegende Module, ohne die das System nicht funktionieren kann. Vergleichbar sind diese mit dem menschlichen Körper, der ohne Nahrung (Energie = Stromversorgung) schlichtweg nicht existieren kann und der Nervenbahnen, Rezeptoren, Botenstoffe etc. besitzt oder produziert, die als Datenschnittstelle zwischen Auge, Gehirn und Hand fungieren (Datentransfer). Alle diese Elemente müssen innerhalb eines Körpers vorhanden sein, um miteinander zu funktionieren (Integration).

Übersetzt in smarte Systeme bedeutet das Folgendes:

Die Kommunikation ermöglicht den Austausch von Daten und Informationen zwischen verschiedenen Komponenten des Systems. Sie umfasst in der Regel mehrere Schichten von Technologien und Protokollen, um sicherzustellen, dass die Daten effektiv und sicher ausgetauscht werden können. In der innersten Ebene passiert das oft drahtgebunden. In der Kommunikation von System zu System oder zur Umgebung werden oft verschiedene drahtlose Netzwerktechnologien wie WLAN, Bluetooth oder ZigBee verwendet.

Auch die Vielfalt der Protokolle bei der Übertragung der Daten von Sensoren und Aktoren ist groß. Für die Übertragung von Daten zwischen Systemkomponenten kommen beispielsweise Protokolle wie MQTT oder CoAP zum Einsatz.

Die Stromversorgung (Energieversorgung) ist eine kritische Komponente eines smarten Systems, da das System ohne Energie nicht funktionieren kann. Da smarte Systeme oft über längere Zeiträume betrieben werden, müssen sie in der Lage sein, Energie effizient zu nutzen, um die Betriebskosten niedrig zu halten. Eine effiziente Stromversorgung kann somit auch dazu beitragen, den CO2-Fußabdruck des Systems selbst zu reduzieren. Neben einer stationären Stromversorgung sind Akkus und Energy-Harvester weitere interessante Optionen.

Die Integration beschreibt sowohl das sogenannte Packaging der verschiedenen Komponenten und Module in einem System, als auch das Zusammenspiel innerhalb des smarten Systems, die es letztendlich effektiv und effizient machen.  Die Integration ist auf Hardware-, Software- und Datenebene möglich.

  1. Hardwareintegration: Das Packaging ist eine Integration auf Hardwareebene und adressiert Themen wie 3D-Integration, Integration auf Chip- und Waferebene, Integration von Komponenten aus unterschiedlichen Materialen oder die Integration optischer Komponenten. Neben klassischen Packagingverfahren werden innovative Verfahren entwickelt und in die Nutzung überführt. Dazu gehören auch Verfahren des Fügens von Wafern nahe Raumtemperatur .
  2. Softwareintegration: Diese erfolgt zum einen im smarten System aber auch bei der Integration verschiedener smarter Systeme zum System of Systems. Ein Beispiel ist die Zusammenarbeit zwischen einem Smart-Home und einem Sicherheitssystem.
  3. Datenintegration: Bei der Datenintegration werden Daten verschiedener Quellen in Echtzeit zusammengeführt. Häufig wird hierbei aufgrund der schieren Fülle an Daten Künstliche Intelligenz zur Analyse eingesetzt.

Smarte Systeme: Die Anwendungsmöglichkeiten

Smarte Systeme sind in der Lage, selbständig eine komplexe Umgebung zu erfassen, auf der Basis von Wissen zu analysieren und entsprechende Entscheidungen sowie Vorhersagen zu treffen. Das macht sie für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche besonders wertvoll. Vor allem dann, wenn Prozesse automatisiert gesteuert werden sollen oder große Mengen an Daten für die Entscheidungsfindung zur Verfügung stehen. Vom autonomen Fahrzeug, das Verkehrsschilder, Verkehrsteilnehmer, Außentemperatur, Fahrbahnbeschaffenheit und andere externe Faktoren erkennt und entsprechend reagiert, über die automatisierte Lichtsteuerung, Reinigung und Wartung von Gebäuden, die automatische Gesundheitsüberwachung per Smart Watch, bis hin zu vernetzten Maschinen in der Produktion – smarte Systeme finden sich heutzutage in fast allen Lebensbereichen.

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Weiterführende Links

👉 Arbeitskreis Smarts Systems & Internet of Things des Silicon Saxony

👉 Use Case: Blind wieder sehen lassen

👉 Smart Systems Integration

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Autorin dieses Artikels


Dr. Martina Vogel
Leiterin Arbeitskreis Smart Systems & IoT, Fraunhofer ENAS

👉 LinkedIn

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