Die Schweiz wird automatisiert

Schweiz spielt vorne mit

Vor allem im Kernbereich Automation und Steuerung, der im Zentrum des NFS Automation steht, gehöre die Schweiz bereits heute zur Weltspitze, lässt Lygeros in einem Interview anlässlich der Lancierung des Forschungsschwerpunktes verlauten. Das gelte auch für verwandte Bereiche wie Künstliche Intelligenz, Robotik und Optimierung sowie für Anwendungsgebiete wie Energie oder industrielle Systeme. Allerdings könne man noch mehr tun, so der Professor.

Vor allem die Fragmentierung werfe Probleme auf. Eine Verteilung der Aktivitäten auf viele verschiedene Institutionen, erschwert die Koordination und birgt die Gefahr von Doppelspurigkeiten – inklusive sich wiederholender Fehlstarts. «Es ist auch nicht gut für die internationale Wahrnehmung: Obwohl wir weltweit führend sind, werden wir nicht immer so wahrgenommen», erklärt Lygeros.

Algorithmen, Architekturen und Methoden

Die Forschungsbereiche im NFSA werden wie folgt zusammengefasst:

Methodische Grundlagen

Dieser Forschungsbereich entwickelt neue Methoden, Systemarchitekturen und Algorithmen, die grosse Mengen an Daten aus der physischen Welt verarbeiten und daraus zuverlässige und wirksame Entscheidungen zur Regelung und Steuerung ableiten.

Die Forschungsthemen dazu lauten:

• Control in a data-rich world mit dem Ziel, aus der Fülle von Informationen richtige Entscheidungen und sinnvolle Feedbacks zur Regelung von Systemen abzuleiten,

• Control in an uncertain world: Entwicklung robuster, widerstandsfähiger Regelsysteme, die mit realen Verhältnissen umgehen können,

• Distributed hierarchical control and optimisation: Entwicklung verteilter, hierarchisch aufgebauter Regelungs- und Optimierungstechniken, um die Methoden für immer grössere Systeme zu skalieren.

Computergestützte Methoden

Dieser Bereich erforscht rechnergestützte Ansätze, um neue Automatisierungs- und Regelkonzepte in der Praxis umsetzen und in skalierbare Gesamtsysteme zusammenführen zu können. Unter anderem sollen notwendige Hardware-Konzepte sowie Sicherheitswerkzeuge entwickelt werden, um die Systeme beispielsweise vor Cyberangriffen zu schützen. Dafür werden die im Arbeitspaket «Methodische Grundlagen» entwickelten hierarchischen Regelkonzepte und mathematischen Methoden auf reale Systeme übertragen.

Folgende Forschungsthemen werden angegangen:

• Scalable and correct by design synthesis: Begrenzte Rechenkapazitäten, Übertragungsgeschwindigkeiten oder Energieversorgung haben oft Kompromisse bei der Umsetzung der Regelstrategien zur Folge. Damit das ganze Regelnetz aber funktioniert, werden skalierbare Designmethoden, abgestimmte Algorithmen und neuartige, eingebettete Systeme entwickelt, die optimal zusammenspielen und ein verteiltes, hierarchisches Regelsystem formen.

• Secure cyber-physical systems: Die Digitalisierung bringt neben vielen Vorteilen auch Risiken im Bereich der Cybersicherheit mit sich. Vor allem in systemrelevanten Bereichen wie in Energienetzen, im Transportwesen oder in industriellen Prozessen müssen diese eliminiert oder zumindest minimiert werden. Dieses Projekt entwickelt Cybersicherheitswerkzeuge, um die Automatisierungssysteme widerstandsfähig gegen Angriffe zu machen.

Energiesysteme

Durch neue Arten der Energieversorgung – beispielsweise Windkraft und Solaranlagen – wird die Regelung der Energiesysteme zunehmend komplexer. Vor allem die wetterabhängige Produktion von Strom stellt die Forscher vor immer neue Herausforderungen. Zudem habe der höhere Grad an Unsicherheit, der mit erneuerbaren Energien verbunden ist, zur Folge, dass Systeme, die in der Vergangenheit zuverlässig funktioniert haben, dies in Zukunft nicht unbedingt tun werden, erklärt Lygeros.

Auch der Energiekonsum flexibler Komponenten wie Boiler, Wärmepumpen, Elektrofahrzeuge usw. muss angepasst werden – ohne deren Nutzer zu beeinträchtigen versteht sich. Zudem müssen sämtliche Netzebenen (Haushalte, lokale Verteilnetze, Übertragungsnetze) miteinander abgestimmt sein. So müssen Daten von zahlreichen verteilten Erzeugern, Konsumenten und Speichereinheiten verarbeitet werden und für jede einzelne Systemkomponente eine koordinierte Regelstrategie entwickelt und ausgelöst werden.

Auf Basis theoretischer Grundlagen gilt es in diesem Forschungszweig integrierte Lösungen zu entwickeln, um ganze Energiesysteme vollständig automatisieren zu können. In einem so genannten «Moon-Shot-Projekt» soll in einer Gemeinde oder einem Quartier der Schweiz ein vollständig automatisiertes Energienetz aufgebaut und einem Praxischeck unterzogen werden.