Cyber-physical systems are networked through IT infrastructure and susceptible to malware. Threats targeting process control are much more safety-critical than traditional computing systems since they jeopardize the integrity of physical infrastructure. Existing defence mechanisms address security at the network nodes but do not protect the physical infrastructure if network integrity is compromised. An interface guardian architecture is implemented on cyber-physical control leaf nodes to maintain process integrity by enforcing high-level safety and stability policies. Preemptive detection schemes are implemented to monitor process behavior and anticipate malicious activity before process safety and stability are compromised. Autonomic properties are employed to automatically protect process integrity by initiating switch-over to a verified backup controller. Subsystems adhere to strict trust requirements safeguarding them from adversarial intrusion. The preemptive detection schemes, switch-over logic, backup controller, and process communication are all trusted components that are separated from the untrusted production controller. The proposed architecture is applied to a rotary inverted pendulum experiment and implemented on a Xilinx Zynq-7000 configurable SoC. The leaf node implementation is integrated into a cyber-physical control topology. Simulated attack scenarios show strengthened resilience to both network integrity and reconfiguration attacks. Threats attempting to disrupt process behavior are successfully thwarted by having a backup controller maintain process stability. The system ensures both safety and liveness properties even under adversarial conditions. / Master of Science

Lite-Agro studies applications of TinyML in pear (Pyrus communis) tree disease identification and explores hardware implementations with an ESP32 microcontroller. The study works with the DiaMOS Pear Dataset to learn through image analysis whether the leaf is healthy or not, and classifies it according to curl, healthy, spot or slug categories. The system is designed as a low cost and light-duty computing detection edge solution that compares models such as InceptionV3, XceptionV3, EfficientNetB0, and MobileNetV2. This work also researches integration with federated learning frameworks and provides an introduction to federated averaging algorithms.

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Ces travaux portent sur la conception multidisciplinaire de systèmes intégrés. Ces systèmes sont soumis à un nombre d’exigences toujours croissant, entraînant des besoins en termes d’intégration fonctionnelle et spatiale. Ces différents types d’intégration relative au produit sont également la source d’une complexité organisationnelle, provenant à la fois de la multitude d’acteurs réalisant différentes activités d’ingénierie, mais également de la diversité des domaines impliqués, désignée dans ce manuscrit par « intégration multidisciplinaire ». Pour favoriser cette intégration multidisciplinaire, les phases de « conception préliminaire » et de « conception détaillée » ont été identifiées comme déterminantes, notamment car elles se caractérisent par la collaboration de nombreux experts, manipulant un grand nombre de données techniques de définition. Les systèmes conçus lors de conceptions multidisciplinaires restent faiblement intégrés. Cela est en partie dû au cloisonnement entre les disciplines et à un mode d’organisation projet basé sur une planification prédominante, caractérisé notamment par une diffusion de l’information principalement descendante (top-down). Afin d’assurer une meilleure collaboration entre ces différentes disciplines, de permettre des prises de décision éclairées par des indicateurs opérationnels et de pouvoir analyser et mieux comprendre les phénomènes d’intégration des expertises, l’introduction d’une méthode inspirée des principes fondateurs des méthodes agiles est proposée pour la conception collaborative de systèmes intégrés.La contribution de ces travaux s’appuie sur trois concepts complémentaires. Le premier, intitulé Collaborative Actions Framework correspond à un cadre de collaboration opérationnelle autour d’actions. Un des objectifs de ce framework est de faciliter la collaboration des acteurs des projets de conception, quelle que soit leur origine disciplinaire, mais également d’assurer une traçabilité entre les prises de décision et les corrections/modifications apportées sur les données techniques. Cette traçabilité est rendue possible grâce aux liens existants avec le second concept intitulé Workspace. Apportant un nouvel éclairage sur les possibilités offertes par la collaboration autour de ces espaces de collaboration, ce concept offre un certain nombre de possibilités,notamment la mise en commun continue des travaux, l’intégration multidisciplinaire et la validation des modifications. Les échanges de données techniques entre les workspaces, ou le travail simultané sur les mêmes données techniques, s’appuient quant à eux sur la possibilité de pouvoir gérer de façon parallèle différentes versions d’une même donnée technique. Ces possibilités sont proposées par le troisième concept, intitulé branch & merge, qui permet également à différents acteurs de travailler simultanément sur les mêmes données. Enfin, ces trois concepts sont ensuite illustrés par l’intermédiaire d’un démonstrateur composé d’un scénario et d’un prototype informatique. Un produit mécatronique, combinaison synergique et systémique de la mécanique, de l'électronique et de l'informatique temps réel, est utilisé afin d’illustrer les possibilités offertes par nos travaux en termes d'intégration multidisciplinaire lors de la conception collaborative. / This work focuses on the multidisciplinary and collaborative design of integrated systems. These systems are subject to an ever increasing number of requirements, leading to the need for more comprehensive functional and spatial integration. These different types of product integration are also at the origin of organizational complexity. This complexity arises not only from the great number of actors performing various engineering activities but also from the diversity of disciplines involved (designated in this manuscript as “multidisciplinary integration”). To encourage this multidisciplinary integration, “preliminary design” and “detailed design” have been identified as the most significant steps, especially since they are characterized by the collaboration of multiple experts handling a large number of product definition’ technical data. Systems that have been designed thanks to multidisciplinary approaches are generally poorly integrated. This is partially due to the compartmentalization of disciplines, as well as to the “project-planned” method, where project planning is predominant and information is mainly spread out “top-down”. To ensure better cooperation between the various disciplines, to enable decision making based on operational indicators and to analyze and understand the multidisciplinary integration processes, a method inspired by the founding principles of agile methods (the agile manifesto) is proposed for the collaborative design of integrated systems. This work is based on three complementary concepts. The first is, the Collaborative Actions Framework, an operational framework for collaboration around actions. One objective of this framework is to improve the collaboration among designers, whatever their disciplinary origin. It also ensures traceability between decision making and corrections/changes made to technical data. This traceability is made possible by the useof the second concept, called Workspace. Even if this term is already well known, we propose a new definition/usage to transform it into collaboration spaces. This concept offers great possibilities, including the continuous delivering/sharing of experts’ contributions, multidisciplinary integration and change validation. The exchange of technical data between workspaces, or simultaneous work on the same data, relies on the ability to manage several parallel versions of the same item into a single datamanagement system. These opportunities are offered by the third concept, called Branch & Merge. Finally, these three concepts are illustrated through a scenario and a computer prototype. A mechatronic product, “the synergistic combination of mechanical and electrical engineering, computer science, and information technology” (Harashima et al., 1996), is used to illustrate the opportunities offered by our work in terms of multidisciplinary integration during collaborative design.

Die Konferenz »Entwerfen – Entwickeln – Erleben« führte am 14. und 15. Juni 2012 das 10. Gemeinsame Kolloquium Konstruktionstechnik und das 5. Symposium Technisches Design zusammen. In Kooperation mit dem Kunstgewerbemuseum der Staatlichen Kunstsammlungen Dresden war es möglich, die fachübergreifende Diskussion industrieller Herausforderungen sowie aktueller Trends und Innovationen der Forschung in einem einzigartigen kulturellem Umfeld – dem Dresdner Residenzschloss – zu führen. Im Mittelpunkt der zweitägigen Konferenz stand der Erfahrungsaustausch zwischen Experten aus Industrie und Wissenschaft über neue Werkzeuge und Methoden, mit denen den aktuellen Herausforderungen von Globalisierung, Nachhaltigkeit und ökonomischen Rahmenbedingungen bei der Entwicklung immer komplexerer Produkte entsprochen werden kann. In diesem Band sind die Textfassungen der Fachvorträge zu den thematischen Schwerpunkten Virtuelle Produktentwicklung (CAD-Einsatzszenarien, Virtual Reality und Product Lifecycle Management), Konstruktion (Konstruktionstechnik und -methodik, Reverse Engineering und Maschinenelemente) enthalten. Ein separater Band, herausgegeben von Linke et al. (ISBN 978-3-942710-75-6) enthält die Beiträge zum Technischen Design (Industriedesign, Transportation Design und Produkterleben).

Based on the description and definition of technology and processes falling within the vision of the fourth industrial revolution with the aim of creating intelligent factories, this diploma thesis deals with the principles of the Industry 4.0 concept in Hilti's production plant with a focus on transport and supply of production equipment. The aim of the work is to create a comprehensive proposal that takes into account all the necessary aspects associated with upgrading the existing state of inter-operational transport in a particular production line to fully automated, flexible and autonomous transport of materials and products in the context of Industry 4.0. A prerequisite for creating a design is the connection of automatically guided vehicles (AGVs) serving individual transport orders. The selection of the vehicle was made taking into account the safety of movement, the method of charging, the system and network integrity of existing and proposed technologies and components. The intention is not only to automate the inter-operational service, but also on the basis of the created automation concept, the ability to autonomously procure the flow of material and products. The mathematical calculation of capacity planning in the production line helped to determine the total load and the number of vehicles needed for continuous procurement of transport requirements. The result of the design part is also the design of specific transport routes and transport conditions that AGV vehicles must comply with in order to maintain a high level of safety. Transparency and a constant overview of transported products is provided by the presented scheme for identification of production batches, Auto-ID system. The financial efficiency of the whole project elaborated in the diploma thesis is evaluated as payable after 4 years from the implementation of the proposal. The financial efficiency of the whole project elaborated in the diploma thesis is evaluated as payable after 4 years from the implementation of the proposal due to high labor costs.

This thesis proposes an Ecosystem perspective for the engineering of SoS and CPS and illustrates the impact of this perspective in three areas of contribution category First, from a conceptual and Systems Engineering perspective, a conceptual framework including the Ecosystems of System Unified Language Modeling (EoS-UML) profile, a set of Ecosystem Ensemble Diagrams, the Arms :Length Trust Model and the Cyber Physical Threat Model are provided. Second, having established this conceptual view of the ecosystem, we recognize unique role of the cryptographic credentials within it, towards enabling the ecosystem long-term value proposition and acting as a value transfer agent, implementing careful balance of properties meet stakeholder needs. Third, we propose that the ecosystem computers can be used as a distributed compute engine to run Collaborative Algorithms. To demonstrate, we define access control scheme, risk-balanced Cellular Access Control (rbCAC). The rbCAC algorithm defines access control within a cyber-physical environment in a manner which balances cost, risk, and net utility in a multi-authority setting. rbCAC is demonstrated it in an Air Travel and Border Services scenario. Other domains are also discussed included air traffic control threat prevention from drone identity attacks in protected airspaces. These contributions offer significant material for future development, ongoing credential and ecosystem design, including dynamic perimeters and continuous-time sampling, intelligent and self optimizing ecosystems, runtime collaborative platform design contracts and constraints, and analysis of APT attacks to SCADA systems using ecosystem approaches.

Die Konferenz »Entwerfen – Entwickeln – Erleben« führte am 14. und 15. Juni 2012 das 10. Gemeinsame Kolloquium Konstruktionstechnik und das 5. Symposium Technisches Design zusammen. In Kooperation mit dem Kunstgewerbemuseum der Staatlichen Kunstsammlungen Dresden war es möglich, die fachübergreifende Diskussion industrieller Herausforderungen sowie aktueller Trends und Innovationen der Forschung in einem einzigartigen kulturellem Umfeld – dem Dresdner Residenzschloss – zu führen. Im Mittelpunkt der zweitägigen Konferenz stand der Erfahrungsaustausch zwischen Experten aus Industrie und Wissenschaft über neue Werkzeuge und Methoden, mit denen den aktuellen Herausforderungen von Globalisierung, Nachhaltigkeit und ökonomischen Rahmenbedingungen bei der Entwicklung immer komplexerer Produkte entsprochen werden kann. In diesem Band sind die Textfassungen der Fachvorträge zu den thematischen Schwerpunkten Virtuelle Produktentwicklung (CAD-Einsatzszenarien, Virtual Reality und Product Lifecycle Management), Konstruktion (Konstruktionstechnik und -methodik, Reverse Engineering und Maschinenelemente) enthalten. Ein separater Band, herausgegeben von Linke et al. (ISBN 978-3-942710-75-6) enthält die Beiträge zum Technischen Design (Industriedesign, Transportation Design und Produkterleben).:Inhalt Vorwort 15 Heinz-Simon Keil Ganzheitlicher »Produkt-Entwicklungs-Prozess« beeinflusst nachhaltig das schlanke »Life-Cycle-Management« – From Lean to Digital Approach 29 Alfred Katzenbach & Peyman Merat Methodik zum Austausch eines CAD Systems in einem Großunternehmen 37 Martin Eigner, Torsten Gilz & Radoslav Zafirov Interdisziplinäre Produktentwicklung 55 Bodo Machner Neue Produkte, neue Märkte, effizientere Prozesse – Herausforderungen an das Produktdatenmanagement 71 Ernst-Eckart Schulze, Lars Wolter, Haygazun Hayka & Martin Röhlig Intuitive Interaktion mit Strukturdaten aus einem PLM-System 89 Michael Wegner, Georg Freitag & Markus Wacker GENIAC – Konfigurieren komplexer Produktsimulationen mit Hilfe von natürlichen Benutzeroberflächen 103 Michael Abramovici & Jens Christian Göbel Systematisierung und Evaluation von Gestaltungsalternativen für die Harmonisierung firmenspezifischer PLM-Umgebungen 123 Christiane Kamusella Digitale Ergonomie-Tools zur Berücksichtigung ergonomischer Aspekte imProduktentstehungsprozess 145 Ingolf Rehfeld & Jan Wunderlich Virtual Reality und Product Lifecycle Management – Entwicklung eines durchgängigen Prozesses für die BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH 153 Ralph Stelzer, Wolfgang Steger & Dirk Petermann Virtual Reality als zentrale Komponente einer PLM-Strategie – Herausforderungen und Umsetzungskonzepte 177 Michael Muschiol & Stefan Schulte Globale Collaboration im Kontext mit PLM 195 Andreas Seibold, Ralph Stelzer & Bernhard Saske Virtual Reality bei Kärcher 207 Uwe Freiherr von Lukas Visual Computing als Basis für Prozessinnovation im Produktlebenszyklus 225 Detlef Gerhard & Touba Rahmani PDM based Lifecycle Analysis – A Case Study 237 Wolfgang Holle, Stephan Husung & Christian Weber CAD-Produktmodell – Quelle der Produktbewertung nach Zeit und Kosten 251 Markus Färber, Johannes Ghiletiuc, Peter Schwarz & Beat Brüderlin Echtzeit-Visualisierung von sehr großen Virtual- und Augmented-Reality-Szenen auf Smartphones und mobilen Tablet-Computern 267 Hans-Peter Prüfer Quo vadis, FEM? 281 Petra Hoske, Günter Kunze, Kai Bürkle, Martin Schmauder, Mark Brütting & Christian Böser Interaktiver Simulator für mobile Arbeitsmaschinen – Virtuelle Prototypen im Einsatzkontext erleben 303 Ingo Jonuschies & Klaus Brökel Ansatz für die Modellierung und Simulation von Hybridgleitlagern für Wellen mit großen Durchmessern und geringen Drehzahlen am Beispiel einerWindkraftanlage 315 Christoph Wehmann, Florian Nützel & Frank Rieg Auslegung von Dehnschrauben bei plastischem Materialverhalten unter Einsatz der Finite-Elemente-Analyse 333 Denis Polyakov & Willi Gründer Design Process Management 351 Christine Schöne & Ralph Stelzer Reverse Engineering in der Produktentwicklung – Aktuelle Herausforderungen 365 Jörg Szyszka, Dietmar Süße & Christine Schöne CAE Methoden in der Einarbeitungsphase der Blechumformung 377 Petra Aswendt Mikrospiegel basierte 3D Scannersysteme für Reverse Engineering Lösungen in einem weiten Skalenbereich 385 Gunter Sanow, Oliver Erne & Hagen Berger Optische 3D-Messtechnik zur Schwingungsanalyse an Windkraftanlagen 395 Jürgen Gausemeier, Christian Tschirner, Roman Dumitrescu & Tobias Gaukstern Integrative Konzipierung von Produkt und Produktionssystem als Basis für eine erfolgreiche Produktentstehung 413 Bernd Neutschel, Matthias G. Raith & Sándor Vajna Moderne Produktentwicklungsprozesse als Grundlage für universitäre Gründerförderung 425 Sebastian Schubert, Jan Erik Heller & Jörg Feldhusen Produktmerkmale in der Entwicklung von kundenindividuellen Produkten 441 Rolf Klamann Mobility 2.0 — Driving assistance simulation for Zero accidents and Electromobility 447 Janna Hahn, Michael Hazelaar & Karl-Heinrich Grote Unterstützung der eigenschaftsbasierten Fahrzeugkonzeption in der frühen Konzeptphase 459 Sven Kleiner & Christoph Kramer Entwerfen und Entwickeln mit Systems Engineering auf Basis des RFLP-Ansatzes in V6 475 Fabian Klink, Rocco Gasteiger, Harald Paukisch & Ulrich Vorwerk Workflow zur generativen Herstellung von Felsenbeinfaksimilemodellen für die Optimierung von Cochlea-Implantat Operationen 483 Daniel Krüger & Sandro Wartzack Ein Werkzeug zur schnellen Konfiguration biomechanischer Simulationen in der Produktentwicklung 501 Ines Barz & Frank Engelmann Cutane Mikrogewebspartikel – Lösungsansätze für eine neue Technologie zur Behandlung Schwerbrandverletzter 513 Tibor Bercsey & György Gyurecz Surface Shape Correction by Highlight Lines 527 Jana Hadler & Klaus Brökel Analyse des monetären und qualitativen Nutzens schwimmender Energiekonverter 537 Benedikt Posner, Alexander Keller, Hansgeorg Binz & Daniel Roth Anforderungen an eine Methode zum leichtbaugerechten Konstruieren 549 Bettina Alber-Laukant, Markus Zimmermann, Florian Nützel, Michael Frisch & Frank Rieg Anforderungen an die grafische Oberfläche eines FE-Systems aus Sicht des Ingenieurs 565 Jan Erik Heller, Judith Pollmanns & Jörg Feldhusen Bestimmung des Produktentwicklungsaufwands basierend auf Kennzahlen am Beispiel der Luftfahrzeugentwicklung 581 Emanuel Richter, Axel Spickenheuer & Gert Heinrich Entwicklungs- und Designmethoden für hochintegrale Leichtbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbundmaterial 591 Alexander Martha, Uwe Klemme & Peter Köhler Interdisziplinäre Prototypenentwicklung am Beispiel eines Seilroboters 609 Vilhelm Hadzhiyski & Zviatko Atanasov Investigation of stressed state of elastic element of elastic clutch from three ply reinforced polymer material 619 Ralph Stelzer, Erik Steindecker & Bernhard Saske Kombinierter Einsatz von Augmented Reality in virtuellen Umgebungen 643 Alexander Krauß & Uwe Fischer Konstruktionsintegrierte Optimierung mit intelligenten Bauteilfeatures im Dünnblechbereich 655 Carsten Böhme, Clemens Lieberwirth & Klaus Brökel Konzept zum Parameteraustausch zwischen unterschiedlichen CAD/CAE-Plattformen 665 Victor Gomes, Durval J. De Barba Jr., Jefferson de Oliveira Gomes, & Karl-Heinrich Grote LCA to support decision-making in layout designs 677 Thomas Hohnen, Ino Schliefer, Claudia Gneist & Jörg Feldhusen Methode zur kennwertgestützten Modularisierung – Retrospektive Untersuchung der Produktmodularität 691 Nikoletta Szélig, Sándor Vajna & Michael Schabacker Modellierungsmethoden für die Prozessplanung 709 Marcel Böttrich, Matthias Sieber & Ralph Stelzer Numerische Methode zur Bestimmung der Fahrwerkskonfiguration aus Baukastenkomponenten 725 Kevin Kuhlmann, Fabian Klink & Carsten Haugwitz Optische Vermessung mit Streifenlichtscannern – aus Industrie und Forschung nicht mehr wegzudenken 739 Ute Dietrich, Marc Glauche & Jörg P. Müller Produktstrukturbeeinflussende Gestaltungskriterien am Beispiel von Offshore-Windkraftanlagen 755 Peter Köhler & Marcin Humpa Geometrische Umsetzung von Designabsichten bei der Produktmodellierung 771 Jan Brökel Risikoabwägung im Rahmen einer Windkraftanlagenentwicklung 781 Reimund Neugebauer, Volker Wittstock, René Heinig, Tino Riedel & Eckhart Wittstock VR-basierte Serviceanwendungen als Produkt im Werkzeugmaschinenbau 791 Christoph Kneschke & Martin Schmauder Grundlagen zur methodischen Beurteilung der montagegerechten Produktgestaltung anhand virtueller Werkzeuge

Cyber-Physical System (CPS) or Digital-Twin approach are becoming popular in industry 4.0 revolution. CPS not only allow to view the online status of equipment, but also allow to predict the health of tool. Based on the real time sensor data, it aims to detect anomalies in the industrial operation and prefigure future failure, which lead it towards smart maintenance. CPS can contribute to sustainable environment as well as sustainable production, due to its real-time analysis on production. In this thesis, we analyzed the behavior of a tool of Ringvalsverk 4, at Ovako with its twin model (known as Digital-Twin) over a series of data. Initially, the data contained unwanted signals which is then cleaned in the data processing phase, and only before production signal is used to identify the tool’s model. Matlab’s system identification toolbox is used for identifying the system model, the identified model is also validated and analyzed in term of stability, which is then used in CPS. The Digital-Twin model is then used and its output being analyzed together with tool’s output to detect when its start deviate from normal behavior.

As organisations adapt to the rigorous demands set by global markets, the supply chains that constitute their logistics networks become increasingly complex. This often has a detrimental effect on the supply chain visibility within the organisation, which may in turn have a negative impact on the core business of the organisation. This paper aims to determine how organisations can benefit in terms of improving their logistical supply chain visibility by implementing a Digital Twin — an all-encompassing virtual representation of the physical assets that constitute the logistics system. Furthermore, challenges related to implementation and the necessary steps to overcome these challenges were examined.  The results of the study are that Digital Twins may prove beneficial to organisations in terms of improving metrics of analytics, diagnostics, predictions and descriptions of physical assets. However, these benefits come with notable challenges — managing implementation and maintenance costs, ensuring proper information modelling, adopting new technology and leading the organisation through the changes that an implementation would entail.  In conclusion, a Digital Twin is a powerful tool suitable for organisations where the benefits outweigh the challenges of the initial implementation. Therefore, careful consideration must be taken to ensure that the investment is worthwhile. Further research is required to determine the most efficient way of introducing a Digital Twin to a logistical supply chain. / I takt med att organisationer anpassar sig till de hårda krav som ställs av den globala marknaden ökar också komplexiteten i deras logistiknätverk. Detta har ofta en negativ effekt på synligheten inom logistikkedjan i organisationen, vilken i sin tur kan ha en negativ påverkan på organisationens kärnverksamhet. Målet med denna studie är att utröna de fördelar som organisationer kan uppnå vad gäller att förbättra synligheten inom deras logistikkedjor genom att implementera en Digital Tvilling — en allomfattande virtuell representation av de fysiska tillgångar som utgör logistikkedjan.  Resultaten av studien är att Digitala Tvillingar kan vara gynnsamma för organisationer när det gäller att förbättra analys, diagnostik, prognoser och beskrivningar av fysiska tillgångar. Implementationen medför dock utmaningar — hantering av implementations- och driftskostnader, utformning av informationsmodellering, anammandet av ny teknik och ledarskap genom förändringsarbetet som en implementering skulle innebära.  Sammanfattningsvis är en Digital Tvilling ett verktyg som lämpar sig för organisationer där fördelarna överväger de utmaningar som tillkommer med implementationen. Därmed bör beslutet om en eventuell implementation endast ske efter noggrant övervägande. Vidare forskning behöver genomföras för att utröna den mest effektiva metoden för att introducera en Digital Tvilling till en logistikkedja.