A new Whitepaper shows how to apply a systematic design process to protect your IoT devices.
Unprotected IoT devices are an easy target for cyber-attacks. The ZHAW Institute of Embedded Systems has published a Whitepaper that describes the application of a systematic development process to identify threats, derive security requirements and implement effective protection measures. The example of a simple WiFi-based sensor illustrates the design process and adequate protection measures. Microcontrollers featuring Trusted Execution Environments (TEE) as well as Secure Elements both provide options to store key material securely and perform cryptographic operations in an energy-efficient way. The interaction of these hardware components together with dedicated firmware and a Public Key Infrastructure (PKI) enables a low-power sensor to connect securely to the cloud.
Um die Wertgenerierung mit digitalen Zwillingen ganzheitlich zu erfassen, werden im Rahmenmodell die Dimensionen «externe Wertgenerierung» (im Markt, bei den Kunden, in der Anwendung und Nutzung), «interne Wertgenerierung» (innerhalb des Unternehmens) und die dafür benötigten «Datenressourcen» unterschieden. In diesem Beitrag beleuchten wir die erste Dimension «externe Wertgenerierung». Wir erläutern dazu die drei-Achsen der ersten Dimension und deren Spezifikationen.
Externe Wertgenerierung
Am meisten Beachtung findet in Innovationsprojekten jeweils die externe Wertgenerierung, da eine Mehrheit der Unternehmen beabsichtigt, durch digitale Zwillinge und die dadurch ermöglichten datenbasierten Services zusätzliche Umsätze oder zusätzliche Kundenbindung zu generieren, Margen zu erhöhen und die Kundenzufriedenheit zu verstärken. Dabei stellen sich in jedem Fall die Fragen, auf welcher Hierarchieebene des Systems (System Hierarchy Level) Wert entstehen soll, welche Bereiche des Service-Umfangs (Service Scope) verbessert werden sollen und welche Fähigkeiten (Smartness Maturity) die digitalen Zwillinge dafür aufweisen müssen.
System Hierarchy Level
Welche Systemstufe ist für uns für die Generierung von Wert aktuell/in Zukunft zentral?
Um diese Frage zu beantworten, müssen sich Unternehmen ein Verständnis des wirtschaftlichen Ökosystems Ihrer Kunden und Anwender verschaffen. Dabei können theoretisch beliebig viele Ebenen unterschieden werden, von einzelnen Teilkomponenten, über Baugruppen und Smart Connected Products, unterschiedlichen System-Ebenen bis hin zu Smart City-/Factory- oder gar noch umfassenderen Systems-of-Systems. Wie viele Ebenen für die eigene Betrachtung sinnvoll sind muss im Einzelfall definiert werden, das Rahmenmodell unterscheidet die drei grundsätzlichsten Ebenen, die aus unserer Sicht mindestens unterschieden werden sollten.
Connected Product-Ebene
Die Ebene des Connected Products definiert die kleinste als Instanz identifizierbare Komponente oder Baugruppe mit eigener Konnektivität zum Anbieter oder zu höheren Systemen. Kommt die Fähigkeit dazu, auf selbstständig erfasste Daten oder Rückmeldungen zu reagieren, kann es bereits als «smart» bezeichnet werden. Die wichtigsten Bestandteile eines Smart Connected Products sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
System
Ein System umfasst mehrere Connected Products, nutzt deren Daten und spielt ihnen auch Daten zurück. Smart Connected Products können innerhalb des Systems direkt miteinander kommunizieren oder nur über das System-Modul. Da ein solches System digitale (cyber) wie physische (physical) Elemente umfasst und die Erbringung von Diensten (Services) für Akteure (menschliche Benutzer oder andere Systeme) ermöglicht, wird es als «Cyber-Physical-Service-System» bezeichnet.
System of Systems
Ein System-of-Systems umfasst wiederum mehrere Systeme oder kleine Teilsysteme und nutzt deren Daten und spielt ihnen auch Daten zurück. Die Systeme innerhalb eines Systems-of-Systems können sehr hohe Autonomie besitzen und direkt mit anderen Systemen kommunizieren. System of Systems nutzen für deren Realisierung und Betrieb regelmässig Plattformdienste von Drittanbietern.
Service Scope
Wo liegt der Hauptfokus der Generierung von Wert unserer Leistungen?
Diese Frage ist insbesondere deshalb von hoher Relevanz, da hier die Bedürfnisse der Kunden mit der eigenen Value Proposition in Einklang gebracht werden müssen und in vielen Fällen ein zumindest teilweiser Zielkonflikt zwischen den drei grundlegenden Felder des Leistungsfokus besteht. Wird zum Beispiel die Performance in den Mittelpunkt gerückt, müssen u.U. Abstriche bei der Lebensdauer, höhere Ausfallwahrscheinlichkeiten (Availability) oder geringere Qualität in Kauf genommen werden.
Availability
Bei vielen insbesondere industriellen Güter und Anlagen ist das Ziel eine maximale rsp. optimale Verfügbarkeit und Kapazitätsauslastung zu erreichen. Dabei gibt es hinsichtlich der Anforderungen grosse Unterschiede, so sollten zum Beispiel Data Center, welche kritische Daten speichern und verwalten nie ausfallen. Steht der Einsatz für wechselnde Aufgaben im Vordergrund, soll dieser Wechsel möglichst optimal (schnell, automatisch, fehlerfrei) erfolgen.
Performance
Ziel ist die Steuerung (Maximierung oder Optimierung) des Output/Input-Verhältnisses der Ressourcen des Unternehmens. Grundsätzlich kann ceteris paribus durch eine Reduktion der Inputfaktoren als auch durch eine Erhöhung der Outputfaktoren die Performance gesteigert werden. Im Fokus stehen dabei die monetären Kosten sowie die Durchlaufzeiten für bestimmte Prozesse.
Quality
Ziel ist die bestmögliche Erreichung der Qualitätsanforderungen der Akteure. Die qualitativen Faktoren sind vielseitiger als die Availability oder die Performance und müssen aus Sicht der Kunden eruiert werden – dabei können neben klassischen Qualitätsfaktoren zusätzliche Elemente wie beispielsweise Anwenderzufriedenheit (z.B. Arbeitssicherheit, Reduktion von Stressoren wie Lärmemissionen, User Experience und Usability) oder die Erfüllung von Regularien (z.B. ISO-Standards) oder Nachhaltigkeitsthemen (z.B. CO2-Neutralität) definiert werden.
Smartness Maturity
Welches Mass an Intelligenz und Fähigkeiten ist/wird erforderlich?
Die Beantwortung hängt in grossem Masse davon ab, was hinsichtlich des «System Hierarchy Levels» und des «Service Scopes» definiert wurde. Zum einen sind generell je nach Service Scope unterschiedliche Reifegrade erforderlich, zum anderen gilt es festzustellen, in welcher Instanz auf welchem System Hierachy Level diese integriert werden sollten. Eine Instanz kann dabei sowohl ein einzelnes (individuelles) Connected Product, System oder auch System of Systems sein.
Control
Im Reifegrad «Control» kann die Instanz ferngesteuert werden oder steuert sich selbst anhand festgelegter Grenzwerte (horizontale Linien in Abbildung 6). Dabei sind nicht nur die Grenzwertkategorien, sondern auch deren Höhe voreingestellt und werden von der Instanz selbst nicht verändert. Die dadurch realisierbaren Reaktionen, wie z.B. Notausschaltungen, senden von Alarmen oder erzeugen von Ampelsystemen sind simpel, können jedoch bereits enorme Mehrwerte generieren.
Optimize
Im Reifegrad «Optimize» kann die Instanz ihre Reaktionen selbstständig optimieren, zum Beispiel durch ein Anpassen der festgelegten, normierten Grenzwerte anhand eigener «Erfahrungen» bzw. Erfahrungen typen-gleicher Instanzen. Dadurch können sowohl die bereits auf dem «Control» Level möglichen Mehrwerte verbessert als auch zusätzliche Mehrwerte generiert werden, wie z.B. Selbstkalibrierung/-einstellung, Prozessoptimierung usw.
Autonomy
Die Instanz optimiert ihre eigene Viabilität eigenständig, legt z.B. neue Grenzwertkategorien auf Basis automatisierter Ursachenanalysen fest oder optimiert konfligierende Ziele hinsichtlich des Service-Scopes. Im Vergleich zum Reifegrad «Optimize» bedeutet das, das die Instanz über eine eigene maschinelle Lernfähigkeit im erforderlichen Mass verfügt.
Ausblick
Die Möglichkeiten zur Wertgenerierung mit digitalen Zwillingen sind sehr umfangreich und können je nach Unternehmen und Anwendung sehr unterschiedlich ausfallen. In zukünftigen Beiträgen werden wir die weiteren Dimensionen erläutern.
Das in diesem Beitrag vorgestellte Rahmenmodell wurde im April 2020 im Rahmen der «International Conference on Information Science and Systems» publiziert und wird auf Anfrage gerne zugesendet.
Das Modell wird zudem kontinuierlich hinsichtlich des Einsatzes in der Praxis optimiert, wir freuen uns daher über jegliches Feedback oder gar die Kontaktaufnahme zwecks Gedankenaustauschs hinsichtlich konkreter Anwendungen und deren praktischen Umsetzung.
Autoren & Kontakt
Linard Barth ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Projekt- und Studiengangleiter am Product Management Center der ZHAW. Seine Interessen gelten in erster Linie dem Zusammenspiel einzelner Elemente in grösseren Systemen und wie diese konsistent nachhaltig funktionierend ausgerichtet werden können. Dazu erforscht er den Einfluss von Internet of Things, Smart Connected Products und Digitalen Zwillingen auf Business Modelle und Value Propositions. Als ehemaliger Gründer schlägt sein Herz insbesondere für Start-Ups, Entrepreneure und innovative Firmen, welche die genannten Konzepte in der realen Welt umsetzen und berät diese in unterschiedlichen Projekten. Nebenbei leitet er den Studiengang CAS Pricing & Sales, ein Weiterbildungsangebot des Instituts für Marketing Management der ZHAW.
Dr. Matthias Ehrat ist Dozent, Projektleiter und Start-up Coach am Product Management Center der ZHAW. Bereits seit seiner Ausbildung an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) und der Universität St. Gallen (HSG) faszinieren ihn technologiegetriebene Innovationen. Durch langjährige Erfahrungen in verschiedenen Positionen in der Anlagenbau-Industrie konnte er sich ein breites Wissen im Betriebsmanagement aneignen. Er hält selbst mehrere Patente und berät Start-ups bezüglich den Schutzmöglichkeiten und der Anmeldungsverfahren ihrer technologischen Entwicklungen. Nebenbei leitet er den Studiengang CAS Industrial Product Management, ein Weiterbildungsangebot des Instituts für Marketing Management der ZHAW.
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