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KI-Engineering - translated as AI Systems Engineering - aims at the development of a new engineering practice in the intersection of Systems Engineering and Artificial Intelligence. Its goal is to professionalize the use of AI methods in a systems engineering context. The article defines KI-Engineering and compares it with historical examples of research disciplines that founded engineering disciplines. It furthermore discusses the long-term challenges where further development is needed and which results were already achieved in the context of the Competence Center for KI-Engineering (CC-KING).

Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar.

The continued rapid information technological progress is causing major changes. From embedded systems to intelligent embedded systems and cyber-physical systems, the system evolution is always confronted with the challenge of the frequently changing requirements: the proliferation of business models, the rapid development of technology, the fast changing market and customer requirements, new varieties of development methods and models, etc. Cyber-physical systems(CPS) with a long-term life cycle (long-living) play a very important role in many areas, especially in smart factories, digital manufacturing, smart logistics, and energy efficiency. It combines the physical part with the cyber part in a holistic way, where the two parts have to flexibly and dependably adapt to each other to adapt to the changing system environment. On the other hand, a long-living CPS is complicated and multi-configurational, so an incompatible or non-combinable system development can lead to problems or high expenditures. Therefore, an approach is required to reduce the evolution risks and investment needs during the evolution of long-living CPSs. This thesis provides an approach for the managed evolution of long-living CPSs, which is based on the formal descriptions and model transformations of managed evolution of the long-living CPSs. This approach guarantees the consistency between the system evolution requirements and system implementation. Furthermore, with this approach the influence factors for investment needs like the cost of implementation can be scaled to optimize the expenditures of implementation. This approach is evaluated with two practical cases to ascertain the suitability for the managed evolution of long-living CPSs.

Volume 2021, Issue 17, The growing demand for individualized vehicles and alternative power units are challenging the automotive industry. In order to cope with these challenges and realizing the simultaneous production of different variations and models within the same factory, innovative production systems like the Matrix-structured Manufacturing System or Fluid Manufacturing System have received increasing attention. However, the realization of alternative production systems imply the development and the use of cyber-physical systems (CPS). Hence, by networking production modules, autonomous guided vehicles, smart load carriers and utilizing process relevant information, the aim of a flexible and versatile production can be achieved. This paper describes the development process of Smart Logistics Modules as CPS for Smart Load carriers., Die steigende Nachfragen nach individualisierten Fahrzeugen und alternativen Antriebskonzepten stellen die Automobilindustrie vor neue Herausforderungen. Um diese Herausforderungen zu bew��ltigen und die simultane Produktion verschiedener Varianten und Modelle innerhalb derselben Fabrik zu erm��glichen, haben innovative Produktionssysteme wie beispielsweise die Matrixproduktion und die Fluide Produktion j��ngst zunehmend Aufmerksamkeit erhalten. Jedoch ist f��r die Realisierung dieser alternativen Produktionssysteme, der Einsatz von CPS erforderlich. Durch die Vernetzung verschiedener Produktionsmodule, Fahrerloser Transportsysteme, Smarte Ladungstr��ger und der Auslastung relevanter Prozessinformationen kann das Ziel einer flexiblen und wandlungsf��higen Produktion erreicht werden. Die vorliegende Ver��ffentlichung beschreibt die Entwicklung von Smarten Logistikmodulen als CPS f��r Smarte Ladungstr��ger.

Cyber-physischen Systeme (CPS) bewirken gro��artige Weiterentwicklungen im Bereich der IT und verteilten Computer Systeme. CPS verwandeln IT Randbereiche in lebendige ��kosysteme und schaffen damit neue Business M��glichkeiten. Diese Weiterentwicklungen bilden Chancen f��r neue Kooperationsnetzwerke zwischen verschiedenen Unternehmungen, Dienstleistungen und Dingen(IoT), die wir Edge-to-Business (E2B) Wertsch��pfungskette nennen. Mit dem Aufstieg von E2B Entwicklungen ergeben sich neue M��glichkeiten f��r Ihre Gesch��ftsmodelle. Wie sie Ihre Businessprozesse in Zukunft steuern h��ngt ma��geblich von Ihren Gesch��ftsmodellen, Design Prinzipien, wie sie Ihre Anwendungen erstellen und welche Protokolle Sie zu deren Daten��bertragung daf��r nutzen, ab. Zu diesem Zweck gibt es einen 3-Schritte-Plan: (i) Herauskristallisieren solcher neuen M��glichkeiten, (ii) Schaffen neuer robuster Design Modelle, (iii) Entwickeln von fairen flexiblem Messmechanismen zum erreichen und skalieren dieser sparsamen virtuellen Wertsch��pfungsketten. Im ersten Abschnitt haben wir speziell zuerst ��ber die Entwicklungsm��glichkeiten und Modelle von CPS Anwendungen in den Bereichen f��r Cloud-Computing, Open Government Data und Health Care gesprochen. Um mehr ins Detail gehen zu k��nnen ist es n��tig uns in Produkt Topologie Beispiele von Marktreifen Cloud Computing Services einzuarbeiten. Als n��chstes verfassen wir eine originelle Abstraktion namens Gov. Data Compute Unit (DCU), sodass Organisationen in der Lage sind Entwicklern formale, strukturierte und programmierbare Daten Quellen Einheiten vielmehr Daten Kataloge in die Hand geben k��nnen. Zum Schluss entwickeln wir eine L��sung f��r die Semantik von Sensoren die Daten abfragen vom sogenannten Edge-Device-Layer. Das sollte die Qualit��t von unbearbeiteten Senior Daten steigern und sie besser interpretierbar machen. Der zweite Part der These besch��ftigt sich mit der Entwicklung von acht IoT Design Vorschl��gen im Bereich der computerisierten Konstruktion von technischen Rand Anwendungen. Solche Abstrakten L��sungen befassen sich mit dem Grunddesign und den Grundprinzipien von solchen CPS Lebenszyklen. Unser Schema deckt folgende Anwendungsm��glichkeiten ab: Wiederholungen von zum Beispiel Bereitstellungszeiten, Begrenzte Anwendungsbereitstellung zugeschnitten auf die Datenleitung, Dynamische Anwendungskonfigurationen, Eingeschr��nkte Anwendungsbenachrichtigungen, Daten��bermittlung im Ger��t selbst und Wearable facade Entwicklungen, ab. Um die Sache abzurunden gibt es ein eigenes Fernmessprotokoll das entwickelt wurde um als dritter Part die generierten Werte und Daten der CPS Anwendungen zu erfassen. Wir bieten ein Diameter of Thinks (DoT) Protokoll welches einem Werkzeug f��r Echtzeit-Messungen von Prepaid und Zahlen-nach-Bedarf Wirtschaftsmodell entspricht. Das DoT Protokoll behandelt zeitliche und aktionsabh��ngige Fernzugriffe. Es ist nun an der Zeit sicherzustellen und zu ��berpr��fen ob unsere Entwicklung Ihre Richtig umgesetzt wurde und einen nutzen f��r unsere Arbeit bringt. Die technischen Methoden in dieser Abschlussarbeit geben ein besseres Verst��ndnis von die E2B Wertsch��pfungskette und k��nnen beliebig erweitert werden auf mehr unterschiedliche Gesch��ftsmodelle, mehr Rand-Design-Modelle und mehr komplexe Messmodelle., The Cyber-Physical Systems (CPS) brought great computational advancements to transform the computing paradigm into a living ecosystem from edge infrastructures to business value propositions. Such advancements form a collaboration network among various entities, services and things which we call Edge-to-Business (E2B) value chain. However, along with the rise of E2B evolution, there is a need for blueprints on how to define your business models, design principles on how to build your applications, and a protocol on how to generate revenues from your ecosystem. The three-part work plan of the this thesis is to: (i) discover such blueprints, (ii) provide robust design patterns; and (iii) develop fairly flexible metering mechanisms to achieve economies of scale within this virtual value chain. In part one, we first identify the value creation models in the CPS application domains of cloud manufacturing, open government data and health-care. To be more specific, we incorporate product topology templates as a marketable entity for cloud manufacturing service. Next, we propose a novel abstraction unit called Gov. Data Compute Unit (DCU), so that governments are able to feed developers with formalized, structured and programmable data resource units rather than just data catalogs. For the last domain, we develop a solution for the semantic sensor data retrieval from the edge device layer. This enriches the quality of raw sensed data and makes it more interpretable. The second part of the study deals with developing eight IoT design patterns as computational constructs for engineering edge applications. Such abstract solutions comprise core design principles through CPS life cycle. Our patterns cover applications' iteration cycles like provisioning, edge deployment pipeline, dynamic configurations, constrained application messaging, in-device data processing and wearable facade creation. To complete the story, a telemetry protocol is developed at part three to capture the generated value of CPS applications. We offer the Diameter of Things (DoT) protocol that implements a real-time metering in the case of prepaid and pay-per-use economic models. The protocol handles time-based and event-based telemetry patterns. Developed approaches and solutions were reasonably validated to prove the validity and utility of our work. The techniques developed in this thesis give a better understanding of the E2B value chain and can be extended to deliver more diverse business models, more edge design patterns as well as more complex metering models.