Volume 54, Issue 6 -

Recent attention to Cyber Physical Systems (CPS) is driven by the need for deeper integration of design disciplines that dominate physical and computational domains. Consequently, heterogeneity is the norm as well as the main challenge in CPS design: components and systems are modeled using multiple physical, logical, functional and non-functional modeling aspects. The scope of relevant design domains includes (1) physical domains, such as structure, mechanical dynamics, thermal, propulsion, fluid, electrical, acoustics, vibration and (2) computational, networking domains, used for implementing system control, sensors, health management, mission management, communication. The need for deep integration of these interrelated facets of CPS opens up a rich research agenda towards establishing a new systems science that is simultaneously physical and computational. Zusammenfassung Die Beachtung, die cyber-physische Systeme (CPS) jüngst erfahren, ist bedingt durch die Notwendigkeit einer tiefgreifenden Integration der in naturwissenschaftlichen und rechnergestützten Bereichen vorherrschenden Entwurfsdisziplinen. Für den Entwurf von CPS stellt daher Heterogenität sowohl die Regel als auch die wesentliche Herausforderung dar: Komponenten und Systeme werden mit Hilfe einer Vielzahl physikalischer, logischer, funktionaler und nicht-funktionaler Aspekte modelliert. Die Bandbreite relevanter Designgebiete umfasst (1) physikalische Bereiche wie Struktur, Dynamik, Thermik, Antrieb, Strömung, Elektrizität, Akustik, Vibration, sowie (2) die Bereiche Berechnung und Vernetzung, die zur Implementierung von Systemsteuerung, Sensoren, Systemzustandsmanagement, Missionsmanagement und Kommunikation verwendet werden. Die Notwendigkeit einer tiefgreifenden Integration dieser miteinander verwobenen Facetten von CPS eröffnet eine reichhaltige Forschungsagenda, hin zum Aufbau einer neuen Systemwissenschaft, die gleichzeitig naturwissenschaftlich und informationswissenschaftlich ist.

This paper describes a cyber-physical system that we called autoBAHN as well as some economic and legal aspects for the realization of the vision of a driverless train operating on openly accessible existing railroads, particularly regional branch lines. Existing autonomous trains, e. g., in use on airports, do not need obstacle recognition because they operate on closed tracks that cannot be accessed by humans and have no intersections with roads. The vision is to economically offer a train frequency of about 10 min on regional branch lines. This requires more but smaller trains. As it would not be economically feasible to operate them with human drivers, they need to be autonomous. As it would again not be economically feasible to change the infrastructure (from open to closed tracks), the autonomous trains need to recognize potential obstacles on or near tracks analogous to autonomous cars. First we describe how train intervals of about 10 min can be achieved on single-track railroads. What kind and degree of changes in infrastructural equipment is necessary was validated with the help of a discrete event simulation. The focus of the paper is on the overall system architecture of the prototypical autonomous train that we have implemented and in particular on obstacle recognition. Finally, the current legislation in German speaking countries is surveyed for the assessment of whether an autonomously operating railway system can become reality in the future. Zusammenfassung Dieser Aufsatz beschreibt ein autoBAHN genanntes mechatronisches System sowie wirtschaftliche und rechtliche Aspekte der Realisierung eines fahrerlosen Schienenfahrzeuges für frei zugängliche Strecken, insbesondere Regionalbahnen. Bisherige autonom fahrende Züge, die beispielsweise auf Flughäfen verkehren, brauchen keine Hinderniserkennung, weil sie auf abgeschlossenen, nicht zugänglichen und kreuzungsfreien Strecken fahren. Die Idee der autoBAHN ist es, auf Regionalstrecken eine Taktfrequenz für Züge anzubieten, die jener des städtischen öffentlichen Verkehrs entspricht und dennoch wirtschaftlich ist. Dazu sind mehr und kleinere Triebfahrzeuge erforderlich. Da diese beim Betrieb mit menschlichen Fahrern wirtschaftlich nicht zu betreiben wären, sollen sie autonom fahren. Da auch Änderungen an der Schienen-Infrastruktur durch Absperrung der Gleise wirtschaftlich nicht machbar wären, muss ein autonom fahrender Zug ähnlich autonom fahrenden PKWs Hindernisse auf oder nahe am Gleis erkennen können. Wir beschreiben zuerst, wie Ankunftsintervalle von circa 10 Minuten auf eingleisigen Strecken möglich sind. Welche Änderungen an einer bestehenden, eingleisigen Schieneninfrastruktur notwendig sind, wurde anhand einer diskreten Eventsimulation geprüft. Der Schwerpunkt des Aufsatzes liegt auf der gesamten Systemarchitektur des prototypisch implementierten autonomen Fahrzeuges und auf der Hinderniserkennung. Abschließend wird auf die derzeitige rechtliche Situation für autonom fahrende Züge in deutschsprachigen Ländern eingegangen, um die Chancen für die Realisierung einer autonom fahrenden Bahn zu beurteilen.

Smart mobility addresses ecological, safe and flexible transportation needs of individuals and the general public. Smart mobility draws synergies from integrating traditionally disjoint domains like automotive, railway, avionics and geography-/business-specific location based services. Cyber physical systems (CPS), built around multicore processor technology, provision powerful platforms to realize smart mobility applications. However, multicore processors require adequate enablement in order to tackle their inherent complexities related to efficient exploitation of parallel resources under safety, security and real-time constraints. This paper addresses two topics: First, we discuss the different notions CPS may adopt in the automotive domain and outline their potentials. Second, we propose a holistic virtualization approach consisting of Hypervisor/VMM middleware for processor virtualization in combination with hardware-assisted communication virtualization. This will allow providing high-bitrate, dependable and QoS conform interconnect services among compute, memory and I/O resources of automotive ECU systems. Zusammenfassung Smart Mobility bietet Lösungen für die Bedürfnisse des Einzelnen sowie der Öffentlichkeit nach einer ökologisch nachhaltigen, sicheren und flexiblen Verkehrsinfrastruktur. Es vereint traditionell getrennte Verkehrsdomänen wie Straße, Schiene und Flugzeug sowie ortsbezogene Dienste und Dienstleistungen zu einem zusammenwirkenden Gesamtkonzept. Cyber-Physical Systems (CPS), basierend auf Mehrkernprozessoren, stellen die erforderlichen leistungsfähigen IT-Plattformen für Smart Mobility Anwendungen zur Verfügung. Beim Einsatz von Mehrkernprozessoren bedarf es jedoch geeigneter Methoden, die es erlauben, die inhärente Komplexität bei der effizienten Nutzung der parallelen Ressourcen zu beherrschen und dabei gleichzeitig spezifische Anforderungen wie Safety, Sicherheit und Realzeit zu erfüllen. Dieser Artikel behandelt zwei Themenkomplexe. Zum einen erläutern wir die verschiedenen Aspekte von CPS in der Fahrzeugdomäne und zeigen deren Potentiale auf. Zum anderen schlagen wir einen ganzheitlichen Virtualisierungsansatz vor, bestehend aus Hypervisor/VMM Middleware für Prozessorvirtualisierung und Hardware-unterstützter Kommmunikationsvirtualisierung. Dieser Ansatz ermöglicht hochbitratige, zuverlässige und QoS-konforme Verbindungen zwischen Rechner-, Speicher- und I/O-Ressourcen in Fahrzeugsteuergeräten.

In this introductory article to the EIT ICT Labs we outline its innovation ecosystem and recap the underlying motives for its foundation from the perspectives of industry, academia and society. The EIT ICT Labs are one of the initial Knowledge and Innovation Communities (KICs) of the European Institute of Innovation and Technology (EIT) that was founded in 2008. It bundles and facilitates the competences and resources of its 65 high profile partners from academia and industry to tackle the grand societal challenges such as ever increasing importance of ICT for various industries, the digitalizing energy environment and advanced mobility systems and the increasingly urbanized society. Zusammenfassung In diesem Einführungsartikel zu den EIT ICT Labs rekapitulieren wir die zugrundliegenden Motive, die zu ihrer Gründung geführt haben und erläutern das entstandene Ökosystem. Die EIT ICT Labs sind eines der ersten Knowledge and Innovation Communities (KIC) des Europäischen Instituts für Innovation und Technologie (EIT), das 2008 von der Europäischen Kommission ins Leben gerufen wurde. Sie bündeln und fördern die Fähigkeiten und Kompetenzen der 65 Partnerorganisationen aus Industrie und Wissenschaft, um insbesondere die mit Informations- und Kommunikationstechnologien in Verbindung stehenden Herausforderungen der heutigen Gesellschaft zu meistern. Diese beinhalten unter anderem die steigende Wichtigkeit von IKT für eine Vielzahl an Industrien, das sich stark verändernde Umfeld im Energiesektor, fortgeschrittene Mobilitätssysteme und die zunehmend städtische Gesellschaft.

SystemC has become the de facto standard for modeling and simulation in hwsw co-design. However, existing verification techniques for SystemC are mostly ad hoc and non-systematic. To overcome this problem, we present a systematic, comprehensive, and formally founded framework for hwsw co-verification of SystemC designs. The framework is based on a formal definition of the semantics of SystemC and uses a combination of model checking and conformance testing. With that, it facilitates automated verification and validation throughout the whole design process. We demonstrate the performance of our approach with two case studies, namely a packet switch and an anti-slip regulation and anti-lock braking system.}. Abstract SystemC hat sich zum de-facto Standard zur Modellierung und Simulation im HW/SW Co-Design entwickelt. Existierende Verifikationstechniken für SystemC sind jedoch meist ad hoc und unsystematisch. Wir präsentieren ein formal fundiertes Framework zur systematischen und umfassenden Co-Verifikation von SystemC Modellen. Das Framework basiert auf einer von uns definierten formalen Semantik für SystemC und verwendet eine Kombination von Model Checking und Konformitätstesten zur automatisierten Qualitätssicherung während des gesamten Entwurfsablaufs. Wir demonstrieren die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes mit einem Packet Switch und einem System zur Anti-Blockier- und Anti-Schlupf-Regulierung.