RTI Connext DDS erleichtert die Patientenüberwachung und koordiniert die Geräte in einem Raum oder in unterschiedlichen Räumen im Krankenhaus miteinander. (Bild: RTI)
Eckdaten
Die Kommunikationsplattform RTI Connext agiert als Datenbus zur Integration von Systemen, Geräten und Applikationen. Sie stellt eine verbindungsfreie Architektur dar, welche die Komplexität direkter Punkt-zu-Punkt-Integration abstrahiert. Die Datenbus-Architektur ermöglicht eine durchgängige Kommunikation zwischen Geräten, Maschinen und Systemen sowie über die gesamte Kette vom Sensor bis in die ohne Technologiewechsel.
Für Robotiksysteme entstehen Echtzeit-Modelle nicht mehr nur aus der direkten Umgebung und robotereigenen Sensoren. Fortschrittliche Datenkorrelation und Analytik verbessern die „Situational Awareness“ basierend auf Daten aus dem Netzwerk oder dem Internet massiv. Ganz besonders wird die Telerobotik von der erweiterten Konnektivität der Systeme profitieren. So geht es der Robotik wie dem Rest des IIoT – sie muss den exponentiell wachsenden Mengen digitaler Daten Herr werden. In der Medizin zum Beispiel bedeutet eine erfolgreiche Behandlung heutzutage auch das Management großer Datenmengen. Ein durchschnittlicher überwachter Patient generiert 1,5 GByte physiologischer Rohdaten am Tag. Auch die Automobilbranche befindet sich derzeit in der größten Umwälzung seit Erfindung des Autos. Vernetzte Autos und autonomes Fahren werden die Art und Weise unserer Fortbewegung komplett verändern. Das Auto der Zukunft ist also nichts anderes als ein Roboter auf Rädern.
Bewährte Standards nutzen
Inzwischen ermöglicht das Internet die Handhabung komplexer verteilter Systeme. In fast jedem Industriebereich sucht man nach ähnlichen Systemarchitekturen, die Sensoren mit der Cloud verbinden, Interoperabilität verschiedener Technologien sowie Brücken zwischen verschiedenen Industrien ermöglichen. Dies ist eine gute Gelegenheit zum Erfahrungsaustausch zwischen den Industriebereichen.
Multinationale Organisationen wie das Industrial Internet Consortium (IIC) fokussieren sich deshalb auf Referenzarchitekturen für das IIoT, die sich zwischen Systemen, aber vor allem zwischen unterschiedlichen Industrien anwenden lassen. Dabei geht es nicht um die Entwicklung neuer und vieler Standards, sondern um die Anwendung bewährter Technologien und Standards in neuen Kontexten. Der Data Distribution Service (DDS) ist solch ein international bewährter Standard. Auch ROS-2 baut auf DDS als Middleware-Lösung.
Unterschiedliche Anforderungen im IIoT
Im industriellen Internet interagieren und integrieren sich Roboter auf grundlegend veränderte Art und Weise. Die NASA testet zum Beispiel in der Robotiksysteme, die künftig die Kontrolle von Mars-Expeditionen aus dem Orbit erlauben. Zu den Herausforderungen in der Datenkommunikation zählen Verbindungs-Verzögerungen von Millisekunden, ack/nack und normale Ethernet-Verbindungen funktionieren hier nicht mehr. Im Telerobotic & Haptics-Labor der schüttelt ein Astronaut aus der ISS aus 5000 km Entfernung mit Roboterhilfe dem Gast die Hand. Die Echtzeitkontrolle über diese instabile Verbindung mit geringer Bandbreite von der ISS zur Bodenstation wird hier durch DDS-Konnektivität ermöglicht.
In autonomen Fahrzeugen leistet RTI Connext DDS verschiedenste Aufgaben, zum Beispiel steuert sie die Interaktion zwischen Fahrzeugen oder Kontrollsystemen. RTI
Ganz anders lautet die Aufgabenstellung im „Minimally Invasive Robotic Surgery System“ (MIRS) der DLR. Aktuell sind Herzoperationen sehr risikoreich, da das Herz „stillgelegt“ und der Patient für die Dauer der Operation an eine Herz-Lungenmaschine angeschlossen wird. Drei Roboter ermöglichen präzise chirurgische Eingriffe am schlagenden Herz, eine Aufgabe, die auch für die besten Ärzte manuell unmöglich wäre. So wird eine statische Abbildung des schlagenden Herzen auf dem Monitor gezeigt, der Operateur bedient die haptischen Kontrollelemente und die Roboterarme kompensieren die Bewegungen des Herzen. Kritisch ist hier die präzise Kontrolle in extremer Echtzeit, das System arbeitet mit einer Datenrate von 3 kHz zwischen Roboterarm und Kontrollsystem.
Eine Kommunikationsplattform
Auch wenn die Anforderungen dieser Robotiksysteme von NASA, ESA und DLR vollkommen unterschiedlich sind, erfolgt die Umsetzung dennoch mit der gleichen Kommunikationsplattform: In allen Systemen kommt RTI Connext DDS zum Einsatz. Es agiert als Datenbus zur Integration von Systemen, Geräten und Applikationen. Im Grunde stellt dies eine verbindungsfreie Architektur dar, welche die Komplexität direkter Punkt-zu-Punkt-Integration abstrahiert. Komponenten, die der Datenbus verbindet, sind Publisher (Produzenten) oder Subscriber (Konsumenten), oder auch beide. Dabei müssen sich die Komponenten nicht gegenseitig kennen. Die Applikationen müssen lediglich die Datentypen kennen und wissen, welche Datenthemen (Data Topics) zu verarbeiten sind. Sie schreiben (publish) oder lesen (subscribe) die Daten einfach nur. DDS erkennt und verbindet die Komponenten bei Laufzeit und ermöglicht so „Plug-and-Play“. Es bedarf keiner Anpassung von existierenden Applikationen, wenn Komponenten hinzukommen oder wegfallen.
In der datenzentrischen Architektur definiert der Anwender wie in einer relationalen Datenbank die Kriterien zum Datenaustausch (Datenmodell, Schlüssel), während der Roboter zum Beispiel die Einträge zu Position, Richtung und Beschleunigung füllt beziehungsweise aktualisiert. Dabei arbeitet RTI Connext DDS ohne Server oder Broker, Engpässe und „Single Point of Failure“ werden durch verteilte Datenhaltung vermieden und der direkte schnelle Zugriff auf aktuelle Daten ist jederzeit möglich. Einen universellen Einsatz von DDS in verschiedensten Systemen ermöglichen die präzisen Quality-of-Service-Konfigurationen, welche die Middleware bietet.
Die Datenbus-Architektur ermöglicht eine durchgängige Kommunikation zwischen Geräten, Maschinen und Systemen sowie über die gesamte Kette vom Sensor bis in die Cloud ohne Technologiewechsel. Relevante Daten – und nur diese – stellt DDS jederzeit sicher und zuverlässig in System-Echtzeit zur Verfügung. Keine herkömmliche Messaging-Middleware und kein Kommunikationsprotokoll bietet diese Funktionalität, jede Applikationsentwicklung müsste diese neu implementieren (wie Message Parsing, Filterung, Message Caching & State Management, Discovery, Presence, Marshaling). Diese Vorteile hat auch die Open Source Robotics Foundation erkannt und setzt in der nächsten Generation (ROS-2) auf die Kommunikation durch DDS.
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DDS erfüllt die Konnektivitätsanforderungen auf der Edge-, Fog- und Cloud-Ebene und vereinfacht die Integration unterschiedlicher Systeme im industriellen Internet der Dinge. RTI
Die neuen Möglichkeiten der Datenkommunikation und Vernetzung erfordern neue Wege zur Absicherung der Systeme. So hätten ein unberechtigter Zugriff auf Daten oder der Eingriff in ein System, etwa während einer Herzoperation, verheerende Folgen. Deshalb hat die Open Management Group (OMG) den DDS-Standard in 2016 mit dem DDS-Secure-Standard erweitert.
DDS Secure ermöglicht fein abgestimmte Sicherheitsstrukturen und verlangt im Gegensatz zu anderen Ansätzen kein „One-Fits-All“. Während herkömmliche Ansätze wie oder DTLS das gesamte System abschotten oder den gesamten Datenstrom verschlüsseln, erlaubt DDS Secure das Anpassen der Sicherheitsfunktionen an die tatsächlichen Erfordernisse auf Datenebene je Topic. Schließlich muss nicht jede Information verschlüsselt sein, oft reicht es sicherzustellen, dass der Datenzugriff erlaubt ist oder die Daten nicht manipuliert wurden. Datenzentrische Zugriffskontrolle, sichere Multicast-Funktion, Verschlüsselung und Protokollierung lassen sich detailliert konfigurieren und unnötige Systembeeinträchtigungen wie schlechtere Latenzzeiten werden vermieden.
Da die DDS-Secure-Erweiterung als Plug-In zu RTI Connext DDS implementiert wurde, ist auch die nachträgliche Absicherung bestehender DDS-Applikationen ohne Änderungen des Applikationscodes möglich. Kundenspezifische Verschlüsselungsalgorithmen und Zertifikatsmanagement lassen sich per Software Development Kit () einbinden.
Sicherheitszertifizierungen
Auch die Anforderungen hinsichtlich funktionaler Sicherheit steigen mit den neuen Einsatzmöglichkeiten der Robotik. In diesem Zusammenhang muss der Entwickler sicherstellen, dass sein System jederzeit exakt so agiert, wie es soll. Die entsprechenden Sicherheitsstandards, zum Beispiel ISO 60601 für Medizingeräte oder ISO 26262 für autonome Fahrzeuge, müssen beachtet und ihre Umsetzung nachgewiesen werden. Hier kann man wiederum von anderen Industriebereichen wie der Luft- und Raumfahrt lernen. Seit vielen Jahren befindet sich RTI Connext DDS in etlichen sicherheitsrelevanten Systemen in der Luft- und Raumfahrt im Einsatz. Als einziger Anbieter weltweit bietet RTI eine nach DO-178C Level A zertifizierbare DDS-Implementierung mit kompletter Dokumentation (Certification Evidence) an. Die Zertifizierungen nach ISO 26262 und 60601 sind derzeit in Arbeit. Diese Lösung reduziert Zeit- und Kostenaufwand für die Abnahme des Gesamtsystems erheblich.
Da die zertifizierbare Variante kompatibel mit dem DDS-Standard und dem Protokoll ist, stellt dies auch die Interoperabilität mit nicht-zertifizierten Implementierungen sicher.
Entwicklungsteams steht mit dem Data-Distribution-Service (DDS) -Standard eine zuverlässige Kommunikationstechnologie zur Verfügung. RTI Connext DDS bietet eine marktführende Implementierung sowie leistungsfähige und die Erfahrung aus Hunderten von Projekten in den verschiedensten Industrien. Dies ermöglicht Entwicklern die schnelle Umsetzung neuer Anforderungen und Architekturen.
Reiner Duwe
(ah)
