Cyber-Physical Systems (CPS) sind vernetzte informationsverarbeitende Systeme, die mit ihrer umgebenden physischen Umwelt in direkter Wechselwirkung stehen. Über Sensoren nehmen CPS Umgebungsinformationen auf, verarbeiten diese rechnergestützt, und beeinflussen ihre Umwelt über Aktoren wiederum. CPS befinden sich also in einer kontinuierlichen Regelschleife und müssen in vielen Anwendungsgebieten zeitkritische und sicherheitsrelevante Berechnungen tätigen und domänenübergreifend mit anderen technischen Systemen oder dem Menschen kommunizieren.

CPS stellen heutzutage weltweit die Grundlagentechnologie für viele „smarte“ Produkte und Anwendungen dar. So sind sie bspw. unverzichtbar in den Bereichen des Fahrzeug- oder Flugzeugbaus, Industrie 4.0, Medizintechnik, Automatisierungstechnik, Robotik oder Mechatronik.

Die Forschung der TUHH zu Cyber-Physical Systems zeichnet sich dadurch aus, dass sie sämtliche relevanten Aspekte umfasst – von den Sensoren und Aktoren, der Hardware und Vernetzung hinweg über die Software eines CPS bis hin zu deren realen Anwendungen und ihrer Zertifizierung.

► Beiträge des Dekanats EIM (Auswahl): Sichere und zuverlässige Hard- und Software, neuartige Sensorik, Vernetzte und Autonome Systeme, Optimierung von Energieeffizienz und Echtzeitfähigkeit

► Beteiligte Institute und Kooperationen:  

• Mikrosystemtechnik (E-7), Hochfrequenztechnik (E-3), Nachrichtentechnik (E-8), Kommunikationsnetze (E-4), Elektr. Energietechnik (E-6), Softwaresysteme (E-16), Secure CPS (E-16), Software Security (E-22), Eingebettete Systeme (E-13), Telematik (E-17), Autonomous CPS (E-24)
• Hamburg-weite Informatik-Plattform ahoi.digital
• Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
• MLE@TUHH
• DFG GRK CAUSE (Concepts and Algorithms for – and Usage of – Self-Explaining Digitally Controlled Systems)

► Das Forschungsthema findet sich in folgendem Forschungsschwerpunkt wieder:

• Cyber-Physical Systems

► Eine fachübergreifende Bündelung mit anderen Themen erfolgt in dem Forschungsfeld:

• Cyber-Physical & Medical Systems

► Diese Studiengänge greifen Inhalte des Forschungsthemas auf:

• Elektrotechnik und Informationstechnik, B.Sc./ M.Sc.
• Mechatronik, B.Sc. /M.Sc.
• Theoretischer Maschinenbau, M.Sc.
• Computer Science, M.Sc.
• Informatik-Ingenieurwesen, B.Sc. / M.Sc.
• Information and Communication Systems, M.Sc.
• Microelectronics and Microsytems, M.Sc.

Herausforderung: Von Daten zum Wissen: 

Smarte Geräte sind mit zahlreichen Sensoren ausgestattet und produzieren enorme Datenmengen. In der Praxis stellt sich aber aber die Frage: Welche Daten sind relevant für Anwendungen wie z.B. das Erkennen von Hindernissen beim autonomen Fahren oder die frühzeitige Diagnose oder Vorhersage von Krankheiten? Aus Rohdaten müssen relevante Daten gefiltert und in Informationen gewandelt werden, aus welchen dann Modelle gelernt und Wissen aufgebaut werden kann.

► Beiträge des Dekanats EIM (Auswahl): 

• Effiziente Speicherung,
• Kommunikation und Verarbeitung großer Datenvolumen, 
• mathematische und algorithmische Grundlagen des Maschinellen Lernens, 
• verteilte Datenhaltung, verteiltes maschinelles Lernen,
• Maschinelles Lernen zum Lösen Inverser Probleme,
• Entwicklung von Data Science Anwendungen in den Ingenieurwissenschaften und der Medizintechnik.

► Beteiligte Institute und Kooperationen: 

• Data Science Foundations (E-21), Data Engineering (E-19), Medical Technology and Intelligent Systems (E-1), Biomedical Imaging (E-5), Stochastik (E-10), Autonomous CPS (E-24), Algorithmen und Komplexität (E-11), Computational Mathematics (E-10), Theor. Elektrotechnik (E-18), Quantum Inspired and Quantum Optimization (E-25)
• DESY-Graduiertenschule DASHH
• MLE@TUHH
• Center for Data and Computing in Natural Sciences

► Das Forschungsthema findet sich in folgenden Forschungsschwerpunkten wieder:

• Advanced Materials
• Cyber-Physical Systems
• Environmental & Energy Systems
• Logistics Management & Technology
• Medical Technology & Biomechanics

► Eine fachübergreifende Bündelung mit anderen Themen erfolgt in den Forschungsfeldern:

• Advanced Materials & (Bio-)Processes
• Cyber Physical & Medical Systems
• Environmental & Energy Systems
• Logistics, Mobility & Infrastructure 
• Methods of Research in Science and Engineering

► Diese Studiengänge greifen Inhalte des Forschungsthemas auf:

• Data Science, B.Sc.
• Computer Science, B.Sc., M.Sc.
• Technomathematik, B.Sc.

Eine Welt ohne elektrische Energie ist heute undenkbar, die weltweite Stromerzeugung nimmt ständig zu. Gleichzeitig erwachsen neue Herausforderungen aus der angestrebten Energiewende. Der Ausstieg aus der Kernenergie sowie aus der Kohleverstromung rücken immer näher. Windkraft- und Photovoltaikanlagen gehören inzwischen wie selbstverständlich zu unserem Landschaftsbild. Die Nutzung von Wasserstoff zur Erzeugung von Energie wird in diesem Zusammenhang schon seit geraumer Zeit besonders intensiv erforscht. Voraussetzung für einen positiven Beitrag zum Klimaschutz ist dabei die Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen.

Die Energiesysteme der modernen Welt müssen folglich tiefgreifend umgebaut werden.

► Beiträge des Dekanats EIM (Auswahl): Intelligente elektrische Energienetze (Smart Grids), Integration leistungselektronisch gekoppelter Systeme, Effiziente Bordenergiesysteme für moderne Flugzeuge und Schiffe, Betrieb und Planung für integrierte/sektorengekoppelte Energiesysteme

• Die Forschung der elektrischen Energietechnik an der TUHH fokussiert die Bewältigung zentraler Herausforderungen, die daraus entstehen. Ziel ist ein optimales systemtechnisches Zusammenwirken von Komponenten und Technologien zur Erzeugung, Übertragung, Speicherung, Verteilung und zum Verbrauch von elektrischer Energie. Die Erforschung zukünftiger elektrische Energienetze terrestrischer sowie bordsystemgebundener Energiesysteme nimmt dabei eine besondere Rolle ein.
• Die Kompetenzen des Dekanats liegen im Bereich der Modellierung, Optimierung und Betriebsführung von elektrischen Energienetzen und erstrecken sich hierbei besonders auch auf die Anwendung von Informations- und Kommunikationstechnik (IKT), Regelungs- und Automatisierungstechnik sowie Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI).
• Die Dynamik, Stabilität und Regelung elektrischer Energiesysteme bilden einen besonderen Kompetenzschwerpunkt. Im Vordergrund stehen Systeme mit leistungselektronisch gekoppelten Komponenten und zunehmend sektorengekoppelte Systeme mit mehreren Energieträgern.

► Beteiligte Institute und Kooperationen:

• Elektrische Energietechnik (E-6), Kommunikationsnetze (E-4), Regelungstechnik (E-14), Telematik (E-17), verschiedene Institute der Dekanate M, V und W
• Helmholtz-Zentrum Hereon
• Regionale und überregionale Energienetzbetreiber

► Das Forschungsthema findet sich in folgendem Forschungsschwerpunkt wieder:

• Environmental & Energy Systems
• Cyber-Physical Systems

► Eine fachübergreifende Bündelung mit anderen Themen erfolgt in den Forschungsfeldern:

• Environmental & Energy Systems
• Cyber-Physical and Medical Systems

► Diese Studiengänge greifen Inhalte des Forschungsthemas auf:

• Elektrotechnik, M.Sc.
• Microelectronics and Microsystems, M.Sc.

Die moderne Patientenversorgung konnte durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Medizintechnik bereits entscheidend verbessert werden. Krankheiten können heute frühzeitig entdeckt und besser behandelt werden.

Zukünftige Verbesserungen erfordern die Fusion von verschiedenen Fachdisziplinen aus Informatik, Ingenieurwissenschaft, Mathematik und Medizin. Hierbei sind die Kombination von modernen Bildgebungsmethoden und Sensortechnologien mit Verfahren zur Bildverarbeitung und zum maschinellen Lernen sowie die Methoden zur Planung und Unterstützung bei Behandlungsabläufen entscheidende Bausteine.

► Beiträge des Dekanats EIM (Auswahl):

• Entwicklung von medizintechnischen Systemen und Mensch-Maschine-Schnittstellen
• Multi-dimensionale Bildgebung und Bildverarbeitung
• Entwicklung von Sensoren und Sensorsystemen
• Modellierung der elektromagnetischen Felder im Gewebe
• Sicherheit cyberphysischer medizintechnischer Systeme
• Methodenentwicklung für den Einsatz von Robotik und Navigation in der Medizin

► Beteiligte Institute und Kooperationen: 

• Medizintechnische und Intelligente Systeme (E-1), Biomedizinische Bildgebung (E-5), Integrierte Schaltungen (E-9), Mikrosystemtechnik (E-7), Hochfrequenztechnik (E-3), Smart Sensors (E-EXK3), Softwaresysteme (E-16), Theoretische Elektrotechnik (E-18), Angewandte Analysis (E-10)
• UKE, Forschungszentrum Medizintechnik FMTHH, ICCIR
• MLE@TUHH

► Das Forschungsthema findet sich in folgenden Forschungsschwerpunkten wieder:

• Medical Technology & Biomechanics

► Eine fachübergreifende Bündelung mit anderen Themen erfolgt in dem Forschungsfeld:

• Cyber-Physical & Medical Systems

► Diese Studiengänge greifen Inhalte des Forschungsthemas auf:

• Informatik-Ingenieurwesen (B.Sc./M.Sc.)
• Elektrotechnik (B.Sc./M.Sc.)
• Technomathematik (B.Sc.)
• Computer Science (B.Sc./M.Sc.)
• Data Science (B.Sc./M.Sc.)
• Allgemeine Ingenieurwissenschaften (B.Sc.)
• Medizin-Ingenieurwesen (M.Sc.)
• Mechatronics (M.Sc.)

Viele natur- und ingenieurwissenschaftliche Objekte/Vorgänge können durch mathematische Modelle näherungsweise beschrieben werden. Anhand theoretischer Analysen sowie effizienter numerischer Lösungen dieser meist sehr komplexen Modelle können die Vorgänge der realen Welt dann digital simuliert und somit besser verstanden und ggfs. optimiert werden (z.B. bzgl. Performance, Energieeffizienz, Sicherheit).

► Beiträge des Dekanats EIM (Auswahl)

• Forschung zu numerischen Methoden in den Ingenieurwissenschaften (digital twin)
• Approximation und Optimierung komplexer ingenieurwissenschaftlicher Systeme
• Formale Verifikation sicherheitskritischer Eigenschaften von Hard- und Software                
• Modellierung und Simulation von Kommunikationskanälen und Übertragung digitaler Daten
• Theoretische Grundlagen der Informatik und Entwurf effizienter Algorithmen                     
• Stochastische Modelle für komplexe Netzwerke und zufällige räumliche Strukturen
• Computerarchitekturen für Machine Learning Accelerators, energy-efficient GPUs 

► Beteiligte Institute und Kooperationen: 

• Nachrichtentechnik (E-8), Computational Mathematics (E-10), Numerische Mathematik (E-10), Angewandte Analysis (E-10), Diskrete Mathematik (E-10), Stochastik (E-10), Algorithmen und Komplexität (E-11), Optische und Elektronische Materialien (E-12), Eingebettete Systeme (E-13), Softwaresysteme (E-16), Theoretische Elektrotechnik (E-18), Massively Parallel Systems (E-EXK5), Theoretische Informatik (E-EXK6), Quantum Inspired and Quantum Optimization (E-25)
• DFG-Graduiertenschule 2583 mit UHH
• DESY-Graduiertenschule DASHH
• MLE@TUHH

► Das Forschungsthema findet sich in folgenden Forschungsschwerpunkten wieder:

• Advanced Materials
• Aviation Technologies
• Biobased Processes & Reactor Technologies
• Civil Infrastructure Systems
• Cyber-Physical Systems
• Environmental & Energy Systems
• Logistics Management & Technology
• Maritime Systems
• Medical Technology & Biomechanics

► Eine fachübergreifende Bündelung mit anderen Themen erfolgt in den Forschungsbereich:

• Methods of Research in Science and Engineering

► Alle Studiengänge der TUHH greifen Inhalte des Forschungsthemas auf.