– 36 – Ingenieurspiegel 1 | 2019

Fast alle Systeme befinden sich im Wandel und der Trend der digitalen Transformation liefert uns viele neue Dienste und di­gitale Services. Technologisch beruhen diese auf einer heute überall verfügbaren Konnek­tivität sowie auf software­intensiven, miniaturisierten und eingebetteten Systemen, welche einerseits eine schnelle Verarbeitung, Übertragung und Speicherung von Information ermöglichen und andererseits auch menschliche Akteure über neuartige Schnittstellen im­mersiv in die digitale Welt inte­grieren.

Cyber-physische Systeme von Systemen (CPSoS)

Kennzeichnend für so genann­te Systeme von Systemen (SoS, Systems of Systems), welche aus räumlich verteilten und lose miteinander gekoppelten Subsystemen bestehen, ist die Vernetzung und der intensive und weitreichende Austausch von Daten und Information [1]. Charakteristisch für cyber­phy­sische Systeme (CPS) ist die in­nige Verschmelzung der realen mit der digitalen Welt [2] (Cy­berspace). Der Wandel heutiger Luftfahrtsysteme stellt eine für die Entwicklung herausfordern­de Mischung aus CPS und SoS dar, die als cyber­physisches System von Systemen (CPSoS) bezeichnet wird. Das Model­based Systems Engineering (siehe Bild 1, Mitte) soll die Entwicklung, Dokumentation, Analyse und das Management von Systemen und CPSoS bes­ser beherrschbar machen. Das Lufttransportsystem ist welt­weit verteilt und besteht aus vielen teilautonomen Subsys­temen, welche dezentral kont­rolliert und gesteuert werden. Diese bilden lose gekoppelt ein SoS, welches kontinuierlich

Digitale Transformation – Systeme in der Luftfahrt im Wandel

betrieben wird und sich stetig weiterentwickelt. Dienste und digitale Services nutzen im Sin­ne eines CPS die mit den physi­schen Prozessen einhergehen­den digital kommunizierten In­formationen und stellen diese interessierten Nutzern über Schnittstellen zur Verfügung.

Datenanalyse und künst-lich intelligente Systeme

Nutzer können dabei auch tech­nische Systeme sein, welche Daten analysieren und für das maschinelle Lernen verwenden, um so zu künstlich intelligen­ten Systemen zu kommen. In der Luftfahrt nutzen viele ver­schiedene interagierende Pro­zesse und Services komplexe CPSoS. Zu nennen sind hier bei­spielsweise die Reiseprozesse

der Passagiere [3,4], der Flugha­fenbetrieb [5], das Luftverkehrs­management, die Betriebsab­läufe der Fluggesellschaften am Boden und in der Luft [6­8], die Luftfrachttransportkette [9], der Wartungs­ und Instand­haltungsbetrieb (MRO, Main­tenance, Repair & Overhaul) sowie viele angrenzende Pro­zesse und Dienstleistungen und Services vor und nach dem Flug. Die Disziplin Data Analytics Sys­tems Design widmet sich den Architekturen für die Daten­analyse und das maschinelle Lernen bis hin zur Nutzung von künstlicher Intelligenz. Hiermit sollen künftig Fragestellungen und Probleme automatisiert oder sogar autonomisiert lös­bar sein, was allerdings in der Luftfahrt hohe Herausforde­rungen hinsichtlich der Deter­

miniertheit und Kontrolle von Systemen mit sich bringt.

Sichere Systeme in der Luftfahrt

Der Trend, immer mehr und neue Systemfunktionen durch Software zu realisieren, stellt bei CPSoS einerseits eine Stärke (nämlich die Anpassbarkeit an neue Aufgaben, ohne physische Komponenten zu tauschen) und zugleich eine Schwäche (we­gen der Veränderbarkeit durch Angreifer) dar. Seit Anbeginn der kommerziellen Luftfahrt vor gut einhundert Jahren ist diese extrem durch Sicherheit geprägt und von der Internati­onal Civil Aviation Organization (ICAO) weltweit reglementiert. Sicherheit betrifft hierbei so­wohl strukturelle Aspekte von

Bild 1: Künftige Ausprägungen von Systemen in der Luftfahrt und für deren Entwicklung und Betrieb erforderlichen Disziplinen: Model-based Systems Engineering muss die Handhabung cyber-physischer Systeme von Systemen (CPSoS) beherrschbar machen. Die extensive Nutzung des Cyberspace bedarf eines guten Systems Security Engineering. Data Analytics System Design liefert geeignete Architekturen, um die Datenanalyse und das maschinelle Lernen für künstliche Intelligenz im Lufttransport nutzbar zu machen.

Systemen und deren Architek­turen als auch die innerhalb der Systeme dynamisch ablaufen­den Prozesse und das System­verhalten. In einem komplexen CPSoS können sich auf höheren Organisationsebenen unvor­hersehbar und ganz spontan unerwartete Strukturen und neue Funktionen herausbilden. Die digitale Transformation be­fördert heute solche unerwarte­ten Phänomene. Eine derartige Emergenz, d.h. die unerwartete Entstehung von etwas Neuem, steht der klassisch determinis­tischen Entwicklung und dem zuverlässigen und kontrollier­ten Betrieb sicherheitskritischer Systeme in der Luftfahrt grund­sätzlich entgegen. Weiterhin ist die Vermeidung unvertretbarer Risiken, d.h. die relative Ge­fahrenfreiheit, in der Luftfahrt oberstes Gebot und gilt für den Bereich der Betriebssicher­heit (Safety) und gleichzeitig auch für die Angriffssicherheit (Security). Jedoch schafft heu­te insbesondere die Öffnung und Nutzung des Cyberspace – gleichsam der Büchse der Pan­dora – für die Luftfahrt unmit­telbare Herausforderungen für die Security und mittelbar auch für die Safety des Gesamtsys­tems. Das so genannte Systems Security Engineering ist daher bei digital kommunizierenden und softwareintensiven Luft­fahrtsystemen eine entschei­dende Disziplin für den siche­ren Entwurf und Betrieb eines CPSoS.

CPSoS in der Luftfahrt – Was uns die Zukunft bringt

Trotz der für die Luftfahrt vie­len neuen Risiken aus dem Cy­berspace kann sich die Branche dem raschen technologischen Wandel und der Digitalisierung heute nicht mehr entziehen. Aufgrund einer inzwischen am Boden und in der Luft verfüg­baren Konnektivität dürfen in der Luftfahrt die mit der Da­tenkommunikation und Daten­analyse verbundenen Möglich­keiten maschinellen Lernens,

neuer Betriebs­, Produktions­ und Wartungsstrategien, sowie neuer Wertschöpfungsnetz­werke nicht ungenutzt bleiben. Im Zuge der digitalen Transfor­mation werden sich Systeme – nicht nur in der Luftfahrt – künftig als CPS, SoS oder als eine Mischung daraus, d.h. als CPSoS, darstellen. Diese Sys­teme erlauben unter anderem eine (Teil­) Automatisierung von Handlungssequenzen, welche vorher, beispielsweise durch das Kabinenpersonal, manuell durchgeführt werden mussten. Das Anschalten und Vorbereiten der Flugzeugküche setzt sich aus mehreren Schrit­ten zusammen, welche auf Teilautomatisierung geprüft werden können. Trotz der aktu­ellen Strömungen hin zu einer Vollautomatisierung wie beim Trend zum Smart Home oder gar zur Autonomisierung, sollte hierbei immer der Umsetzungs­ und Wartungsaufwand einer angestrebten Lösung geprüft werden, da dieser speziell bei sicherheitsrelevanten Hand­lungen der Flugzeugbesatzung hoch ausfallen kann. Die di­gitale Transformation erfasst jedoch nicht nur die Ebene des Fluggeräts und der Flugzeug­systeme [8] sondern das gesamte Lufttransportsystem [4]. Ähnlich unserer Gesellschaft werden sich auch technische Systeme künftig durch Kommunikation besser organisieren können. Eine aktive Gestaltung und Optimierung wäre vielleicht auch ohne Zutun des Menschen denkbar, wenn maschinelles Lernen und künstliche Intelli­genz eine eigene Führungsrolle übernehmen würden. Jedoch sollte es der mit diesen techni­schen Systemen interagierende Mensch bleiben, welcher die finale Entscheidungshoheit be­hält. Dabei ist es nicht ganz ein­fach zu definieren, was Hoheit über eine Entscheidung eigent­lich meint: Ist dies beispiels­weise das manuelle Abschal­ten eines Systems durch den Menschen bei Überschreitung der maximalen elektrischen Leistungsaufnahme, das deter­

ministische Abschalten durch einen vom Menschen einge­bauten Sicherungsautomaten, oder das Abschalten durch ein selbst lernendes, künstlich in­telligentes System, für welches der Mensch die Lernregeln ent­wickelt und festgelegt hat?

Oliver C. Eichmann, M.Sc.,Fabian Giertzsch, M.Sc., Prof. Dr. rer. nat. Ralf God, Institut für Flugzeug-Kabinen systeme, Technische Universität Hamburg, www.tuhh.de/fks

[1] INCOSE. Systems Enginee­ring Handbook: A Guide for System Life Cycle Processes and Activities, version 3.2.2. San Diego, CA, USA: Inter­national Council on Systems Engineering (INCOSE), IN­COSE­TP­2003­002­03.2.2, 2012.

[2] Manfred Broy, Cyber­Physical Systems: Innovation durch softwareintensive eingebet­tete Systeme, Springer, Ber­lin, 2010.

[3] Vorhaben DiProPax!, Digi­tale und sichere Prozesse in der Kabine für den Passagier und die Besatzung, gefördert vom BMWi, LuFo V­1, FKZ 20K1302.

[4] Vorhaben PaxToken, Mühelo­ses Reisen und smarte Sicher­heit mittels eines digitalen Prozessschlüssels, gefördert vom BMWi, LuFo V­3, FKZ 20K1703.

[5] Vorhaben KomKab, Teilvor­haben: Digitaler Ramp Agent, gefördert vom BMWi, LuFo V­2, FKZ 20K1505.

[6] Vorhaben SIMKAB, Teilvorha­ben: Authentifizierung und Benutzerrollen als Teilaspekt des Kabinenmanagementsys­tems, gefördert vom BMWi, LuFo IV­3, FKZ 20K0805.

[7] Vorhaben ConCabInO, Teil­vorhaben: Spezifikation und Integration cyber­physischer Betriebs­ und Geschäftspro­zesse, gefördert vom BMWi, LuFo V­2, FKZ 20K1510.

[8] Beitrag zum Vorhaben iCa­bin, Die intelligente Kabine – vernetzte Informationen

von hochentwickelten Kabi­nensystemen zu einem Ge­samtzustandsbild für neue innovative digitale Fluggast­, Flugbegleiter­ und Airline­Dienstleistungen, gefördert vom BMWi, LuFo V­3, FKZ 20X1702.

[9] Vorhaben SiLuFra, Sichere Luftfracht­Transportkette: Konzepte, Strategien und Technologien für sichere und effiziente Luftfracht­Trans­portketten, gefördert vom BMBF, SIFO, FKZ 13N12729.