Hamburger Hochschulen am ZAL TechCenter

Luftfahrt in der Zukunft

In der Luftfahrt rechnet man mit einem weiteren Wachstum bei Passagierzahlen und Fracht. Die räumlichen Erweiterungsmöglichkeiten der Systeminfrastruktur sind sehr begrenzt, so dass die Nutzung von Informationstechnik den Weg durch diesen Flaschenhals bahnen muss.

Ein plausibles Zukunftsszenario des Luftverkehrs lässt sich kurz und knapp durch ein weiteres Wachstum bei den Passagierzahlen und der Luftfracht sowie durch stark begrenzte Möglichkeiten zur Veränderung oder Erweiterung und Ausdehnung der räumlichen Systeminfrastruktur beschreiben. Daraus resultiert die Anforderung, dass die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems unter den heute herrschenden räumlichen Infrastrukturbedingungen gesteigert werden muss.

Künftig eine Immersion von informationstechnischen und physischen Prozessen

Cyber-Physical Aviation charakterisiert im Lufttransportsystem eine Immersion von informationstechnischen und physischen Prozessen und kann z.B. dazu beitragen die vielen auf dem Vorfeld ablaufenden Teilprozesse aufgrund einer besseren Informationslage effizienter zu gestalten. Bildquelle: Sydney Airport Multimedia Gallery; bearbeitet vom Institut für Flugzeug-Kabinensysteme

Einen Lösungsansatz zur oben genannten Anforderung bietet die innige Verschmelzung von Aktivitäten in der realen Welt mit Aktivitäten im Cyberspace, d.h. in der virtuellen Welt. Im produzierenden Gewerbe (z.B. beim Flugzeug-hersteller) wird dieser intensiv verfolgte vierte Schritt der Industrialisierung mit dem Begriff "Industrie 4.0" bezeichnet. Wenn solch ein real-virtuell-immersives System neben Produktionsprozessen auch Dienstleistungsprozesse, z.B. Transportdienstleistungen einer Fluggesellschaft oder Wartungsprozesse mit beinhaltet, dann spricht man verallgemeinernd von einem cyber-physischen System (CPS). Dieses kann noch viele weitere Aktivitäten und Angebote von anderen beteiligten Systemen, z.B. des öffentlichen Nahverkehrs, des Flughafens oder von Mietwagen- und Hotelanbietern mit umfassen.

Cyber-Physical Aviation

Der Begriff Cyber-Physical Aviation charakterisiert speziell im Lufttransportsystem die Immersion von informationstechnischen und physischen Prozessen. Dabei kommunizieren Entwickler, Hersteller, Betreiber und Nutzer jederzeit und kontinuierlich miteinander und interagieren mit den vielen technischen Systemen über deren gesamte Lebenszyklen hinweg. Während eine Transformation zu dieser nächsten Stufe in manchen Bereichen schon voll im Gange ist (z.B. bei den Passagierprozessen am Flughafen), gibt es an anderen Stellen (z.B. an der Nahtstelle vom Flughafen zum Flugzeug) noch viel Verbesserungspotential. Auch die Anlagen, Geräte und Bauteile im Lufttransportsystem besitzen künftig eigene Intelligenz und Kommunikationsfähigkeiten, so dass Objekte und Menschen in digital-diskreten und in zeitkontinuierlich-realen Prozessverläufen über drahtlose und berührbare Schnittstellen miteinander im Austausch stehen. Eine zukünftig jederzeit mögliche Information und Kommunikation würde dann Engpässe im Gesamtsystem mit einer lokal verfügbaren guten Informationslage durch Entscheidung, Abstimmung oder Umorganisation lösen können.

Kein Mangel an Technologie, jedoch viele andere Herausforderungen:

Technologien cyber-physischer Systeme wie z.B. Datennetzwerke, Datenfunk, Bild- und Mustererkennung, elektronische Identitäten für die Automatisierung, Nahfeldkommunikation (NFC) zum bargeldlosen Bezahlen, Radio-Frequenzidentifikation (RFID) als Auto-ID-Verfahren für Gegenstände, usw. werden bereits schon vielfach eingesetzt und kontinuierlich weiterentwickelt. Auf dem Weg zu einem cyber-physischen Lufttransportsystem besteht daher heute weniger ein Mangel an einsetzbarer und nutzbarer Technologie. Vielmehr besteht ein Mangel an Werkzeugen und Methoden für den Entwurf einer harmonisierten Spezifikation für das gesamte und komplexe System of Systems, bei welchem die vielen Systemelemente zusammenwirken müssen. Denn kennzeichnend für cyber-physische Systeme ist deren Vernetzung! Die Systemelemente sind kooperativ, sie agieren häufig automatisiert, oft auch autonom und sie reagieren auf lokale Systemveränderungen adaptiv. Eine große Herausforderung besteht heute darin, dass bei einer Segmentierung und weltweiten Verteilung des Gesamtsystems viele wirtschaftliche Einheiten und wissenschaftliche Disziplinen zusammenarbeiten und sich austauschen und abstimmen müssen. Dazu bedarf es neuer Methoden und Werkzeuge für den Entwurf, die Spezifikation, Integration und Dokumentation. Weiterhin eignen sich standardisierte offene Lösungen besser als proprietäre Technologien. Der bislang ausreichend gut beherrschte Bereich der physischen Sicherheit erfährt plötzlich neuartige Bedrohungen aus dem Cyberspace, wo Angriffspfade für viele Hersteller, Betreiber und Nutzer häufig nicht mehr leicht erkennbar und begreifbar sind. Dennoch ist der Druck auf die Luftfahrtbranche, sich mit der Transformation hin zu einem cyber-physischen Lufttransportsystem zu befassen, sehr stark, weil dieses Prinzip auch in vielen anderen Bereichen vorangebracht wird und weil das zu erwartende Nutzenpotenzial in nahezu allen Branchen als extrem hoch eingeschätzt wird.

Künftig kooperieren die Hamburger Hochschulen am ZAL TechCenter (links) zum Thema Cyber-Physical Aviation: Intelligente Bauteile (Mitte links) besitzen eine Identität und geben sich per Funk zu erkennen. Smartcards (Mitte) ermöglichen der Crew einen vereinfachten, personalisierten und sicheren Bedienerzugang zu den Kabinensystemen. Eine NFC-Schnittstelle am Passagiersitz (Mitte rechts) für elektronische Service- und Komfortdienstleistungen ermöglichen Bezahlvorgänge mit dem Smartphone. Ausrüstungsgegenstände mit RFID-Funktionalität (rechts) können per Funk detektiert und bei der Vorflugkontrolle überprüft werden.

Forschung in Hamburg zu Cyber-Physical Aviation

Zu Beginn des Jahres 2016 eröffnete das TechCenter des Zentrums für Angewandte Luftfahrtforschung (ZAL). Die Hamburger Hochschulen kooperieren dort in der Forschung mit Unternehmen aus der Luftfahrtindustrie. Einen Fokus der Arbeiten der Hochschulen im TechCenter bildet künftig das Thema Cyber-Physical Aviation innerhalb der Themenfelder und Schwerpunkte:

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Cyber-Physical Aviation
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