Was sind cyber-physische Systeme?

Einfach ausgedrückt, verbinden cyber-physische Systeme die physische und die Cyberwelt. Sie sind technische Plattformen, die nahtlos Computing, Steuerung, Vernetzung und Analyse mit der physischen Umgebung und ihren Nutzern integrieren. CPS sind in zahlreichen wichtigen Bereichen zu finden. Die Fertigungsindustrie beispielsweise nutzt CPS, um Automatisierung und Präzision voranzutreiben, während sie im Gesundheitswesen in zahlreichen modernen medizinischen Geräten eingesetzt werden. Diese Assets sind für den Betrieb von größter Bedeutung und unterscheiden sich grundlegend von IT-Geräten: Sie existieren in der physischen Welt und sind Teil von physischen Prozessen – von Maschinen in einer Fertigungsstraße bis hin zu Geräten, die in der Chirurgie verwendet werden.

Da sie sich zwischen der Cyber- und der physischen Welt bewegen, müssen CPS anders geschützt werden als IT-Geräte. Während IT-Geräte häufig Software-Updates erhalten und sowohl aktiven als auch passiven Abfragen gewachsen sind, enthalten cyber-physische Systeme in der Regel Geräte, die nicht so häufig aktualisiert werden können und oftmals empfindlich auf aktive Abfragen reagieren, die nicht die richtigen Protokolle verwenden. Darüber hinaus können Cyberangriffe auf CPS gravierendere Auswirkungen haben und Umwelt und Menschenleben gefährden.

Zehn Beispiele für cyber-physische Systeme

Zur Veranschaulichung der Fähigkeiten, Bandbreite und des Potenzials von CPS, hier einige Beispiele, die man in einer ganzen Reihe von Branchen finden kann:

1. Betriebstechnik: Die Betriebstechnik (OT) verwendet sowohl Hardware als auch Software, um physische Prozesse, Geräte und Ereignisse innerhalb eines Unternehmens oder einer Umgebung zu verändern, zu überwachen oder zu steuern.
2. Industrielles Internet der Dinge (IIoT): Das IIoT ist ein Netzwerk miteinander verbundener Geräte, das die Effizienz und Produktivität der Industrie steigern soll. IIoT verbessert industrielle Prozesse durch Echtzeit-Datenanalyse, vorausschauende Wartung, Qualitätskontrolle und nahtloses Lieferkettenmanagement.
3. Industrielle Steuerungssysteme (ICS): ICS sind in praktisch alle industriellen Prozesse eingebettet und eine Art von CPS, die industrielle Abläufe managen, steuern und regeln. Sie tragen dazu bei, dass der Betrieb reibungslos, sicher und effektiv abläuft.
4. Gebäudemanagementsysteme (GMS): Gebäudetechnik dient der Steuerung, Überwachung, Verwaltung und Optimierung verschiedener Systeme innerhalb eines Gebäudes, wie z. B. HLK, Elektrizität, Sicherheit und Brandschutz. Als eine Art von CPS ermöglichen GMS einen energiesparenden und kosteneffizienten Gebäudebetrieb und tragen dazu bei, die Sicherheit, Verfügbarkeit und Integrität der Vorgänge und Prozesse im Gebäude zu gewährleisten.
5. Smart Grids: Intelligente Stromnetze sind ein Paradebeispiel für CPS, da sie Information und Kommunikation in die Strominfrastruktur integrieren. Intelligente Netze bieten Echtzeit-Überwachung und verbessern die Entscheidungsfindung und Energieverteilung. Auf diese Weise kann das konventionelle Stromnetz in ein intelligentes Netz mit digitaler Technologie, Sensoren und Software umgewandelt werden.
6. Smart Buildings: Intelligente Gebäude nutzen CPS, um Komfort, Energieeffizienz und Sicherheit zu verbessern. Durch die Integration von Sensoren, Kontrollsystemen und Software steuern intelligente Gebäude z.B. Beleuchtung, Belüftung und Stromverbrauch. Dadurch werden Ressourcen optimiert und eine nachhaltigere Gebäudeumgebung geschaffen.
7. Robotik: Von Fertigungsstraßen bis hin zu chirurgischen Eingriffen hat die Robotik verschiedene Branchen fundamental verändert. Diese Form von CPS bietet größere Präzision, höhere Produktivität und mehr Sicherheit.
8. Intelligente Transportsysteme: Der Transportsektor setzt CPS zur Verbesserung von Effizienz, Sicherheit und Nachhaltigkeit ein. Verkehrsunternehmen nutzen diese CPS in hohem Maße für die Verkehrsüberwachung in Echtzeit, die Routenplanung und autonome (Schienen-) Fahrzeuge.
9. Medizinische Geräte: Im Gesundheitswesen haben CPS die Patientenversorgung mit modernen medizinischen Geräten und dem Internet der medizinischen Dinge (IoMT) nachhaltig verändert. Die intelligenten Systeme überwachen die Vitalwerte, geben Medikamente aus oder leiten gar Operationen. Sie gewährleisten so ein hohes Maß an Pflege und Zuverlässigkeit und verbessern die Behandlung der Patienten.
10. Intelligente Fertigung: Smart Manufacturing ist eine Form von CPS, die für mehr Effizienz und Flexibilität in Produktionsprozessen sorgt. Die Optimierung von Fertigungsabläufen in Echtzeit führt zu einer deutlich höheren Produktivität.

Herausforderungen beim Management cyber-physischer Systeme

CPS läuten eine neue Ära der Produktivität und Effizienz in mehreren Schlüsselindustrien ein. Gleichzeitig stellen CPS aber auch neue Herausforderungen dar.

IT-Security-Lösungen funktionieren nicht
Cybersicherheits-Tools, die für IT-Systeme konzipiert sind, schützen CPS nicht. Im Gegenteil: Oftmals können diese Lösungen empfindliche OT-Geräte beeinträchtigen und Prozesse stören. Deshalb benötigen cyber-physische Systeme Lösungen, die speziell für die besonderen Anforderungen entwickelt wurden, wie etwa die Anfälligkeit von Systemen, einzigartige Architekturen, proprietäre Protokolle sowie Umgebungs- und Betriebseinschränkungen.

Interoperabilität
Die Interoperabilität zwischen verschiedenen Systemen und Geräten kann aufgrund fehlender standardisierter Protokolle Schwierigkeiten bereiten. In dem Maße, in dem sich CPS verbreiten, wachsen auch die Herausforderungen. Unternehmen müssen folglich ein Gleichgewicht zwischen den Vorteilen der Produktivitätssteigerung einerseits und der Verringerung des mit der Konnektivität verbundenen Cyber-Risikos andererseits finden.

Steigende Sicherheitsrisiken
Angesichts der vielen vernetzten Geräte und der potenziellen Schwachstellen sind CPS ein attraktives Ziel für Cyberangriffe. Die Sicherheitsbedenken nehmen stetig zu, vor allem weil die Sicherheit von CPS weitreichende Auswirkungen sowohl in der digitalen als auch in der physischen Welt haben kann – bis hin zur Gefährdung von Umwelt und Menschenleben. Hinzu kommt, dass viele CPS-Geräte nicht auf Sicherheit ausgelegt sind, weshalb sie schwer zu schützen sind. Umso wichtiger ist es, die richtige Lösung für den wirksamen Schutz auch dieser Geräte zu finden.

Fehlende Transparenz
Die traditionelle Methode zur Inventarisierung setzt aufgrund der sensiblen Natur von OT-Geräten den Schwerpunkt auf passive Abfragen. Hierdurch fehlt es jedoch an Tiefe, die für eine vollständige Transparenz innerhalb von cyber-physischen Systemen erforderlich ist.

Skalierbarkeit
Mit zunehmender Anzahl von CPS in einem Unternehmen wird es zu einer immer komplexeren Aufgabe, die riesigen Mengen an Echtzeitdaten zu verarbeiten und sicherzustellen, dass alle Systeme aktualisiert und geschützt sind sowie optimal laufen.

Compliance
Das regulatorische Umfeld für CPS entwickelt sich ständig weiter. Die Einhaltung von Datenschutzbestimmungen, Sicherheitsstandards und branchenspezifischen Vorgaben ist ein Thema, mit dem sich alle Unternehmen mit cyber-physischen Systemen kontinuierlich befassen müssen.

Cyber-physische Systeme sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Sie umfassen dabei bedeutend mehr als IoT oder OT und sind entsprechend vielfältig und individuell. Daher stellt ihr Management und ihr Schutz eine große Herausforderung dar, zumal herkömmliche IT-Tools hierbei nicht funktionieren. Mit neuen, innovativen Lösungen speziell für diesen Bereich können Unternehmen jedoch sicherstellen, von den Vorteilen der digitalen Transformation zu profitieren und gleichzeitig ihre Cybersicherheit zu verbessern.