VISION

Ein Tag im Leben von Fabian Fast im Jahre 2020 - Beispiele für Innovationsfelder

Einzelansicht.

Fabian Fast fährt mit seinem neuen Elektroauto zur Arbeit. Seit der Einführung der dynamischen flächendeckenden Verkehrsleitsysteme läuft der Verkehr wesentlich flüssiger als früher. Über echtzeitfähigen Mobilfunk werden die Verkehrserfassungssensoren, zentralen Steuereinheiten und Fahrzeuge optimal miteinander vernetzt.

Bisher funktionierten die Verkehrsleitsysteme entweder nur mit sehr eingeschränkter Reichweite (z.B. an Kreuzung), oder waren nicht echtzeitfähig. Dadurch konnte die aktuelle Verkehrslage nicht umfänglich und genau erfassen sowie keine optimalen Leitstrategien entwickelt werden.

Plötzlich springt ein Kind auf die Straße. Er reagiert zu spät. Sein Auto ist jedoch mit einem hybriden Fußgängererfassungssystem ausgerüstet (über Kamera und Hochfrequenzpositionierungsradar plus Tag am Schulranzen). Bereits nach wenigen Millisekunden wird automatisch ein Ausweich- und Bremsmanöver eingeleitet. Über drahtlose Kommunikation wird das hinterherfahrende Fahrzeug sofort gewarnt.

Bisherige Systeme (6D) benötigen typischerweise etwa 200 ms zur Objekt-Erkennung und Datenweitergabe, in dieser Zeit legen Autos bei 90 km/h bereits 5 m zurück. Das hätte vermutlich nicht gereicht.

Dem Kind ist zum Glück nichts passiert. Dieses Notfallsystem war Herrn Fast letzte Woche schon von großem Nutzen: Es hatte auf der Autobahn starken Nebel und es hat sich spontan ein Stau gebildet. Über das neuartige Car-to-X System hat er eine Stauwarnung erhalten und die Geschwindigkeit seines Autos wurde automatisch gedrosselt und eine Karambolage vermieden. Sein Auto besitzt zahlreiche neuartige Funktionen wie z.B.: echtzeitfähige Vernetzung von Sensoren und Aktuatoren, verteilten Kameraassistenz-systeme, körperhaltungsgesteuerte Airbags, HD-Video-Entertainment, Echtzeitinformationssysteme und hoch-genaue Motorsynchronisation.

Für die Vernetzung, Auswertung und Kontrolle dieser Systeme war eine massive Erhöhung der Datenrate im Vergleich zum Stand der Technik nötig, welcher bisher 10 Mb/s erlaubte. Durch die Entwicklung der ersten für den Automotivbereich optimierten 28 nm CMOS Technologie konnte trotz niedriger Leistungsaufnahme die Datenrate von Ethernetsystemen im Auto auf 10 Gb/s erhöht werden. Dies ist eine Verbesserung um den Faktor 1000. Somit können selbst große Datenmengen ultra-schnell transportiert werden.

Fabian Fast hat ganz vergessen, dass seine Tochter morgen Geburtstag hat und sich dieses neue Soundsystem wünscht, das je nach Tanzstil den Takt, die Taktgeschwindigkeit und den Musikstil in Echtzeit anpasst.

Dieses System hat bei den Jugendlichen einen riesigen Hype erzeugt.

Es können mehrere Techniken eingesetzt: über Kamera (optimal für Ganzkörpererfassung), Hoch-frequenzradartags, sowie drahtlose Bewegungs-sensoren (erlaubt Funktion auch wenn Person durch andere Personen verdeckt ist).

Zum Glück hat er auch Internet im Auto. Über die Echtzeit-Sprachfunktion bestellt er das Geschenk. Die Daten werden über den neuen 5-G Standard übertragen.

Herr Fast hat ganz klein angefangen mit seinem Unternehmen. Seit er die echtzeitfähigen Kom-munikationssysteme auf den Markt gebracht hat, kann er sich vor Aufträgen kaum noch retten.

Durch neuartige ganzheitlich optimierte 5G-Architekturen, schnellere Verarbeitung, radikal verbesserte Hardware (28 nm CMOS ICs), Adaptivität (Echtzeit versus Datenrate), verkürzte Datenframes, Musterkennung, um optimale Performanz bei vielen Nutzern zu erreichen, etc. wurde die Verzögerungszeit im Mobilfunk von bisher etwa 50 ms bei LTE auf 1 ms reduziert. Somit ist es möglich Echtzeitsignale großflächig zu übertragen.

Durch die Einführung der echtzeitfähigen Werkstück- und Maschinenprüfsysteme konnte er die Produktivität der Leiterplattensysteme massiv erhöhen und kostenintensiven Maschinenausfällen vermeiden. Im Vergleich zum Stand der Technik wurde die Messgeschwindigkeit bei sehr hoher Performanz massiv erhöht. Die kostengünstigen Ultraschall-systeme erlauben die Untersuchung von Werkstücken bis 1 m/s. Per Infrarotkamera können 250 Messungen pro Sekunde bei hoher Auflösung durchgeführt werden. Oberflächenwellensystem erlauben sogar 2 000 Messungen/s.

Heterogene flexible Sensorsysteme (mehrere Messprinzipien für eine Messgröße und Datafusion) eröffnen weitere Möglichkeiten.

Die Effizienz der Windkraftanlage, die seine Firma zu einem guten Teil mit Strom versorgt, konnte durch ein Echtzeitsteuersystem verbessert werden. Je nach Wind kann z.B. der Winkel der Rotorflügel in Echtzeit eingestellt werden, um eine optimale Drehzahl bzgl. Effizienz und Haltbarkeit zu erreichen.

Echtzeitsysteme sind für diverse weitere Anwendungen sehr hilfreich, um den Leistungsverbrauch zu senken. So kann z.B. je nach Signalpegel die Versorgung in Verstärkern für Audio und Kommunikationssysteme in Echtzeit angepasst werden. Somit können u.a. Batterien kleiner und kostengünstiger realisiert werden.

Jan, der Sohn von Fabian Fast, hat kürzlich im Kanusport einen Meistertitel gewonnen. Durch das Training mit einem echtzeitfähigen Bewegungs-erfassungssystem konnte Jan seine Rudertechnik wesentlich verbessern.

Jan arbeitet in einer kleinen Firma in Radeberg, die extrem schnelle Steuer-ICs für Elektromotoren entwickelt. Die echtzeitfähige Synchronisierung für gekoppelte Systeme (z.B. Förderbänder) ermöglichet eine massive Leistungsreduktion durch Verhinderung von Master/Slave Effekten (wenn ein Motor schneller ist wirkt anderer als unerwünschte Last). Durch eine neuartige Entwurfs- und Zugriffsplattform ist seine Firma nun in der Lage fortschrittlichste 14 nm CMOS Technologie einzusetzen und somit weltweit die besten ICs anzubieten. Früher konnten lediglich große Firmen auf fortschrittlichste Halbleitertechnologien zugreifen.

Nächste Woche muss sich Fabian Fast operieren lassen. Er wohnt in einer kleinen Ortschaft im Harz. Deshalb ist es schwierig für ihn einen Arzttermin zu erhalten und Spezialisten sind 200 km entfernt. Er ist deshalb froh, dass er gestern die Voruntersuchung zu Hause per Ferndiagnostik machen lassen konnte. Neuartige Komponenten und Systeme mit sehr hoher Bandbreite machen eine sehr gute Videoübertragung möglich.

Dank eines Exo-Skeletts, das als Gehhilfe dient, kann Opa Fast wieder ohne Rollstuhl einkaufen gehen.

Opa Fast, ein emeritierter Professor, erzählt immer wieder voller Begeisterung vom zwanzig20-Projekt FAST, welches durch echtzeitfähige vernetzte Sensor- und Aktorsysteme mit Reaktionszeiten von nur 1-10 ms die Bereiche Kommunikation, Sicherheit, Mobilität, Produktion und Gesundheit revolutioniert hat.

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