KI für funktionale Sicherheit und Prozessautomation
KI ohne Grenzen?
Künstliche Intelligenz (KI) spielt in immer mehr (Automatisierungs-)Prozessen eine wichtige Rolle, z.B. auch der IT Security. Wie sieht es aber mit der Verknüpfung von KI und funktionaler Sicherheit oder dem möglichen Einsatz der KI in der Prozessautomation aus?
Bild: SPPC GmbHDie Begriffe Intelligenz und Lernen in Verbindung mit Technik bringen neue, gesellschaftlich und politisch relevante Fragen mit sich. In der Presse ist dies derzeit sehr intensiv zu spüren. So haben Menschen das Gefühl, dass ihnen technische Systeme mit den Möglichkeiten der künstlichen Intelligenz (KI) näher rücken. Dabei geht es nicht um die Frage, ob KI-basierte Systeme die Arbeitswelt und damit gegebenenfalls den eigenen Arbeitsplatz verändern, sondern um wesentliche Fragen wie:
- • Welche Überlegungen und Beurteilungen können und sollen durch eine Maschine durchgeführt werden?
- • Wann kann/soll/muss eine Entscheidung durch ein KI-System erfolgen?
- • Welche Konsequenzen hat die Entscheidung durch eine Maschine?
- • Wer ist für die Entscheidung einer Maschine verantwortlich?
Eine auf der CeBIT 2018 durchgeführte Umfrage des VDI ergab, dass KI das aktuelle Trendthema ist. Fast 56 Prozent der Befragten gaben an, KI als den größten technischen Trend in der Informationstechnik anzusehen. In der Tat wird der Begriff aber derzeit in den Medien sehr vielschichtig verwendet - vor allem wegen der damit verbundenen großen Marktchancen und zum Teil auch mit negativen Vorhersagen bezogen auf die Arbeitswelt. Die heute existierende Vernetzung von Maschinen, Produkten und Diensten et cetera und die damit ubiquitäre Verfügbarkeit von Daten, ermöglicht eine Verarbeitung mithilfe von KI.
KI für mehr IT Security
Mit der Digitalisierung und Vernetzung bieten heute beinahe alle technischen Systeme Angriffsflächen für Hacker und kriminelle Handlungen. Die Angriffe erfolgen über IT-Systeme und Schnittstellen die zur Anlagenvernetzung nötig sind. Neben Produktions- und Industrieanlagen sind das auch Infrastruktureinrichtungen und Bürosysteme sowie autonome Systeme beim Fahren oder Fliegen. Im Internet of Things (IoT) werden inzwischen sogar vernetzte Waschmaschinen, Kameras oder Kaffeeautomaten zu möglichen Angriffspunkten. Die Angriffsmethoden ändern sich dabei ständig, z.B. modifizieren Angreifer Computerviren automatisch, sodass Virenscanner sie nicht mehr erkennen. In immer kürzeren Zeiträumen, werden Millionen von modifizierten Schadprogrammen gefunden. Ziel muss es sein, eine Methodik zu entwickeln, um Angriffe zu identifizieren, bevor diese überhaupt Schaden anrichten. Ein neuer Ansatz ist es hier, mit Hilfe von KI Angriffsversuche frühzeitig zu erkennen. Mit der zunehmenden Automatisierung von Prozessen aller Art steigt auch der Vernetzungsgrad an. Der Schutz durch Firewalls und Antivirenprogramme reicht heute alleine nicht mehr aus, und es wurden zusätzliche Frühwarnsysteme entwickelt, die ein unerlaubtes Eindringen in eine solche Systemlandschaft frühzeitig erkennen. Die Erkennung basiert dabei oft auf der Analyse der Netzwerkkommunikation, um Angriffsmuster zu identifizieren. Auch dazu wird mittlerweile bereits KI verwendet.
KI ohne Grenzen
Der Phantasie, um KI-Anwendungen zu nutzen, sind keine Grenzen gesetzt. Maschinen und Software werden zu intelligenten Einheiten, die komplex Situationen meistern. Das reicht vom Chatbot, der in medizinischen Fragen eigenständig berät, bis hin zum autonomen Fahrzeug, das seine Fahrgäste sicher von A nach B bringt. Aber in welchen Bereichen und Anwendungsfeldern wird KI in den kommenden Jahren das Potenzial haben, auch anspruchsvolle menschliche Tätigkeiten zu unterstützen? Zwar gibt es bereits einzelne Beispiele, wie das Schachprogramm, das den Weltmeister schlägt, oder die Sprachassistenten im Smartphone. Am Beispiel des AlphaGo Computers wurde 2017 demonstriert, dass eine Maschine für spezifische Aufgaben - in diesem Fall beim Spielen von Go - dem Menschen überlegen sein kann. Auch im Bereich der medizinischen Diagnostik zeigt sich bereits heute, dass Ärzte mit KI-Unterstützung bei der Bildauswertung bessere Ergebnisse erzielen. Viele KI-Anwendungen in der Industrie, stecken aber immer noch in den Kinderschuhen und finden derzeit noch keine breite Anwendung.
KI und funktionale Sicherheit
Heute erfüllen bereits SoCs (System on Chips) von Xilinx die Anforderungen an die IEC61508. Die Zulassungsstelle Exida bestätigt, dass die Anforderungen an SIL3, HFT1 mit dem neuen Xilinx-Prozessor Zynq-7000 SoC erreicht werden, also Entwickler neue Systeme - inkl. KI - für sicherheitskritische Anwendungen mit den neuen Produkten aufbauen können. "KI-basierte Systeme müssen sichere Systeme sein", so Yousef Khalilollahi, Vice President, Xilinx: "Die Zynq-7000 SoC Familie wurde unter dem Gesichtspunkt der funktionalen Sicherheit entwickelt und ist die ideale Architektur zur Absicherung von IIoT- oder I4.0-Plattformen für Applikationen in der Industrie, sowie Automobil oder Luftfahrt. Das Handling der SoCs wird durch ebenfalls zertifizierte Design Suite Software und Compiler vereinfacht. Damit bietet Xilinx eine komplette Lösung für die Risikominimierung nach den Richtlinien der funktionalen Sicherheit an." In einem Buch zur funktionalen Sicherheit heißt es: "Funktionale Sicherheit ist der Teil der Gesamtsicherheit, der von der korrekten Funktion des sicherheitsbezogenen Systems abhängt". Die Sicherheit wird im Gefahrenfall durch das Erreichen eines sicheren Zustandes gewährleistet. Die Maßnahmen reichen vom Weiterbetrieb des betroffenen sicherheitsbezogenen Systems mit geringerer Funktionalität bis zur vollständigen Abschaltung des Systems.
Funktionale Sicherheit für autonome Systeme
Zunehmend komplexe elektronische Systeme erfassen das Systemumfeld, interpretieren die Situation und greifen in die Quer- und Längsführung von autonomen Fahrzeugen ein. Dadurch kommen die autonomen Fahrzeuge ohne Überwachung (Fahrer) aus. Assistenz und Automation nehmen zukünftig weiter zu. Neben der klassischen Aufgabe der funktionalen Sicherheit, d.h. technische Systeme gegen Funktionsausfall abzusichern, gewinnt zukünftig auch die Absicherung der Soll-Funktion autonomer Systeme an Bedeutung. Damit das Fahrzeug wirklich das tut, was es soll, sind eine vollständige und korrekte Beschreibung der Soll-Funktion, ihre zielgerichtete Umsetzung und deren Absicherung wichtig. Das Fehlen eines unangemessenen Risikos aufgrund von Gefahren, die sich aus funktionalen Unzulänglichkeiten der beabsichtigten Funktionalität oder durch vernünftigerweise vorhersehbaren Missbrauch durch Personen ergeben, wird als Sicherheit der beabsichtigten Funktionalität (Safety Of The Intended Functionality - SOTIF) bezeichnet. Der Entwurf ISO/PAS21448:2019 enthält Leitlinien für die anwendbaren Entwurfs-, Verifikations- und Validierungsmaßnahmen, die zur Erreichung des SOTIF erforderlich sind. Mit der Sicherheit der Soll-Funktion bildet sich aktuell eine neue Entwurfsaufgabe in der Gestaltung sicherer elektronischer Steuerungssysteme für Fahrzeuge heraus.
KI in der Prozessautomation?
Unsere Automatisierungslandschaft ist geprägt von Steuerungen und Regelungen. In komplexen Situationen muss derzeit immer noch der Bediener entscheiden. Autonome Systeme entscheiden dagegen auch in komplexeren Situationen selbständig, wie sie sich verhalten müssen, um ihr Ziel zu erreichen. Dazu gehören autonome (Service) Roboter, die sich in einer natürlichen Umwelt bewegen und eigenständig Aufgaben erledigen und die intelligenten Fabriken einer Industrie 4.0. Solche Systeme müssen ihre Umgebung über Sensoren wahrnehmen, die Informationen auswerten, interpretieren und ein geeignetes Verhalten erzeugen. Diese autonomen Systeme können in Zukunft sicher auch Bereiche der Prozesstechnik unterstützen. Doch die Prozesstechnik - und die damit verbundene Prozessautomation - unterliegen strengen Anforderungen an die funktionale Sicherheit. Häufig werden gefährliche Stoffe verwendet oder es ist eine kollaborative Zusammenarbeit mit den Bedienern nötig. Auf Grund der Kritikalität dieser Applikationen wird die sichere Funktion der Prozesse häufig nach der Richtlinie IEC61508 bewertet. Dafür gibt es nun die ersten Single-Chips, die mit Hilfe von KI die funktionale Sicherheit überwachen und vielleicht erlaubt dieser Ansatz auch die Nutzung von mehr autonomen System in der kritischen Umgebung der Prozesstechnik. Am Ende entscheidet jedoch der Betreiber, ob das erzielte Maß an Sicherheit ausreichend ist, um autonome Systeme in seinen Applikationen zu nutzen.
Künstliche Intelligenz (KI) spielt in immer mehr (Automatisierungs-)Prozessen eine wichtige Rolle, z.B. auch der IT Security. Wie sieht es aber mit der Verknüpfung von KI und funktionaler Sicherheit oder dem möglichen Einsatz der KI in der Prozessautomation aus?
Bild: SPPC GmbHDie Begriffe Intelligenz und Lernen in Verbindung mit Technik bringen neue, gesellschaftlich und politisch relevante Fragen mit sich. In der Presse ist dies derzeit sehr intensiv zu spüren. So haben Menschen das Gefühl, dass ihnen technische Systeme mit den Möglichkeiten der künstlichen Intelligenz (KI) näher rücken. Dabei geht es nicht um die Frage, ob KI-basierte Systeme die Arbeitswelt und damit gegebenenfalls den eigenen Arbeitsplatz verändern, sondern um wesentliche Fragen wie:
- • Welche Überlegungen und Beurteilungen können und sollen durch eine Maschine durchgeführt werden?
- • Wann kann/soll/muss eine Entscheidung durch ein KI-System erfolgen?
- • Welche Konsequenzen hat die Entscheidung durch eine Maschine?
- • Wer ist für die Entscheidung einer Maschine verantwortlich?
Eine auf der CeBIT 2018 durchgeführte Umfrage des VDI ergab, dass KI das aktuelle Trendthema ist. Fast 56 Prozent der Befragten gaben an, KI als den größten technischen Trend in der Informationstechnik anzusehen. In der Tat wird der Begriff aber derzeit in den Medien sehr vielschichtig verwendet - vor allem wegen der damit verbundenen großen Marktchancen und zum Teil auch mit negativen Vorhersagen bezogen auf die Arbeitswelt. Die heute existierende Vernetzung von Maschinen, Produkten und Diensten et cetera und die damit ubiquitäre Verfügbarkeit von Daten, ermöglicht eine Verarbeitung mithilfe von KI.
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Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN Hannover Messe 2019 - 26.03.19.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
