2 - Theses

Cyber-physical systems (CPS) that integrate computation and physical components are part of the solutions for many problems of our time like the shift towards renewable energies, an aging population, or mobility. However, they are fragile, especially if misused for purposes out of their specification – for example in a cyber-attack. Therefore, considering security during CPS design just as functional aspects, “security by design”, is gaining the attention of policymakers around the globe. In regulations like the EU Cyber Resilience Act (CRA), security by design is mandated. This leaves CPS engineers with a new task. Not only do they have to consider cybersecurity, but they also need to communicate their cybersecurity decisions to auditors and authorities, users and operators, product owners and managers, and engineers from other domains or organizations that also contribute to CPS design. Hence the overarching question driving this work: how can CPS cybersecurity effectively and efficiently be communicated? More specifically, the first research question asks what engineers need to document during CPS design for communicating cybersecurity, and the second asks how it can be ensured that engineers are aware of cybersecurity decisions during design. The Cybersecurity Decision Diagrams concept was developed in this dissertation to make the increasing complexity of CPS cognitively manageable while designing them. It defines how to document cybersecurity decisions, their rationales, and the relevant information for making them – regardless of the chosen decision-making path. The documentation is model-based and visual, represented by three cybersecurity diagram types that can collaboratively be worked on by different engineering domains. Cybersecurity decisions are explicitly marked in these diagrams, and decision points cluster related cybersecurity decisions and couple them to deliverables of any existing CPS engineering workflow to remind CPS engineers to consider security during design. The concept was implemented as a software demonstrator and validated in three case studies re-iterating past engineering projects at a CPS user / operator (INEOS) and a CPS manufacturer (HIMA). The validation shows that introducing the Cybersecurity Decision Diagrams as a new common deliverable for all CPS engineering disciplines improves the identification of required cybersecurity decisions, the collaborative decision-making during design and the communication of these decisions afterwards. The concept can be applied both for defining the appropriate elements of cybersecurity documentation for a specific communication intention as well as for creating this documentation. Finally, the plurality of security decision-making paths encountered in the validation shows that there are valid reasons to settle for compromises in cybersecurity decisions – as long as there are no compromises made regarding their communication.

Hintergrund und Zielsetzung: Ergebnisse aus psychologischer und kriminologischer Forschung zeigen die bedeutsame Rolle moralischer Emotionen für die Erklärung von regelbrechendem Verhalten. Regelbrechendes Verhalten findet im Jugendalter häufig in Gruppen statt und zahlreiche Studien zeigen, dass der Kontakt zu regelbrechenden Freund:innen regelbrechendes Verhalten quantitativ verstärkt. Deshalb ist es für die Prävention von regelbrechendem Verhalten im Jugendalter wichtig, Erklärungsansätze spezifisch für regelbrechendes Verhalten zu untersuchen, das gemeinsam mit Freund:innen gezeigt wird. In der Forschung zu moralischen Emotionen fehlt diese Perspektive bisher jedoch. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist es, diese Forschungslücke zu schließen. Den Rahmen dafür bildet ein integratives Modell, das an den Annahmen der Situational Action Theory (SAT) orientiert ist. Die SAT ist eine kriminologische Theorie zur Erklärung regelbrechenden Verhaltens, in der moralischen Emotionen eine bedeutsame Rolle zugeschrieben wird. Das Modell soll als Ansatzpunkt für eine interdisziplinäre und ganzheitliche Erklärung von regelbrechendem Verhalten, das explizit gemeinsam mit Freund:innen begangen wird, dienen. Methode und Stichprobe: Die Ergebnisse der dissertationsrelevanten Publikationen basieren auf Daten von zwei Stichproben, die sich in ihren Kernmerkmalen nur minimal unterschieden (Publikation I: N = 163, M Alter = 15.27 Jahre, 53% weiblich; Publikation II-IV: N = 169, M Alter = 14.95 Jahre, 54% weiblich). Die Daten beider Stichproben wurden mit einer Fragenbogenbatterie erhoben, deren Kern der selbst entwickelte Fragebogen zur Erfassung moralischer Einstellungen im Jugendalter (FEME-J) bildete. Mit dem FEME-J wurden Emotionen, die die Jugendlichen in moralischen Konflikten antizipierten (AEMK), als situationsspezifische Operationalisierung moralischer Emotionen, erfasst. Als situationsübergreifende Operationalisierung wurden die generelle Tendenz dazu, sich schuldig zu fühlen (Schuld, engl. guilt-proneness) bzw. sich zu schämen (Scham, engl. shame-proneness) mit dem Test of Self-Conscious Affect-Adolescents (TOSCA-A) gemessen. Für die Erfassung des eigenen regelbrechenden Verhaltens wurden die Skalen Regelverletzendes Verhalten und Dissoziales Verhalten des YSR 11-18R der Child Behaviour Checklist (YSR 11-18R) verwendet. Für die Messung von regelbrechendem Verhalten mit Freund:innen wurden die Skalen des YSR 11-18R insofern modifiziert, dass explizit nach regelbrechendem Verhalten mit Freund:innen gefragt wurde (z. B. „Wenn du mit deinen Freunden zusammen bist, zerstört ihr Dinge, die anderen gehören.“). Ergebnisse: Die Ergebnisse zur primären Fragstellung zeigen, dass AEMK, Schuld und Scham mit eigenem regelbrechenden Verhalten zusammenhängen, wohingegen ausschließlich Scham positiv mit regelbrechendem Verhalten mit Freund:innen zusammenhängt. Dabei impliziert die positive Richtung des Zusammenhangs, dass höhere Ausprägungen von Scham mit vermehrtem regelbrechendem Verhalten (eigenes und mit Freund:innen) einhergehen. Zudem scheinen höhere Ausprägungen von Scham, ebenso wie höhere Ausprägungen von Schuld, den positiven Zusammenhang zwischen unstrukturierten Freizeitaktivitäten und regelbrechendem Verhalten (eigenes und mit Freund:innen) zu verstärken. In der Erklärung von eigenem regelbrechendem Verhalten verringerten AEMK den negativen Effekt von geringer Selbstkontrolle. Für die Erklärung von regelbrechendem Verhalten mit Freund:innen wurden keine Interaktionseffekte zwischen moralischen Emotionen und Selbstkontrolle gefunden. Diskussion: Die Ergebnisse der dissertationsrelevanten Publikationen unterstreichen zum einen die Notwendigkeit davon, die Anwesenheit von Freund:innen in die Messung von regelbrechendem Verhalten einzubeziehen und zum anderen zwischen situationsübergreifenden und situationsspezifischen Operationalisierungen moralischer Emotionen zu unterscheiden. So scheinen primär situationsübergreifende Operationalisierungen moralischer Emotionen für die Erklärung von regelbrechendem Verhalten mit Freund:innen von Bedeutung zu sein. Insbesondere der positive Zusammenhang zwischen Scham und regelbrechendem Verhalten (eigenes und mit Freund:innen) sowie der Moderationseffekt von Schuld und Scham auf den Zusammenhang zwischen unstrukturierten Freizeitaktivitäten und regelbrechendem Verhalten (eigenes und mit Freund:innen) ist von Relevanz für Präventions- und Interventionsprogramme. Dies impliziert, dass moralische Emotionen, vor allem Scham, nicht ausschließlich gefördert, sondern ein adäquater Umgang mit ihnen gelehrt werden sollte. Neben den methodischen und praktischen Implikationen liefern die Ergebnisse mögliche Ansätze für zukünftige Forschung, deren Relevanz durch die vorliegende Dissertation aufgezeigt wird.

Weltweit nimmt die Dichte elektronischer Geräte aller Art immer weiter zu. Störungen zwischen dieser großen Anzahl an Geräten nach Möglichkeit zu verhindern, dies ist eine der Aufgaben der elektrotechnischen Disziplin „elektromagnetische Verträglichkeit“ (EMV). Eine typische Störquelle ist oft die Bauteilgruppe der Leistungselektronik. Die Aufgabe der Leistungselektronik ist die Anpassung der Versorgungsspannung an die Bedürfnisse des jeweiligen Verbrauchers. Die Nutzung von Schaltnetzteilen führt zu einem erheblichen Störpotential der Leistungselektronik und die immer weitere Verbreitung von Schaltnetzteilen mit elektronischen Geräten aller Art verstärkt diesen Effekt. Daher wird in dieser Arbeit das Zusammenwirken von EMV und Leistungselektronik betrachtet. Beim Betrieb von Leistungselektronik fällt Verlustleistung in Form von Wärme an. Die Kühlung zur Abführung dieser Wärme befindet sich typischerweise direkt an der Wärmequelle und somit an der Bauteilgruppe, welche im Falle der EMV gleichzeitig eine Störquelle darstellt. Bereits die unmittelbare räumliche Nähe legt einen Einfluss der Kühlung auf die EMV-Eigenschaften von Leistungselektronik nahe. Dieser Einfluss wird in der vorliegenden Arbeit untersucht. Zentral für diese Arbeit ist die Betrachtung des Kühlkörpers mit der kapazitiven Kopplung zur Bauteilgruppe der Leistungselektronik als Störquelle. Die Betrachtung erfolgt sowohl für leitungsgebundene, als auch für abgestrahlte Störungen. Mit Blick auf die leitungsgebundenen Störungen werden keine Änderungen an der Schaltung oder dem Schaltverhalten der Leistungselektronik zur Verminderung der Störungen vorgenommen. Der Fokus liegt auf der parasitären Kopplung und den Potentialen in der Leistungselektronik. Für die abgestrahlten Störungen liegt der Fokus auf dem Kühlkörper als Antenne. Zunächst wird die kapazitive Kopplung untersucht. Zum einen, welche kapazitiven Kopplungen sich aus der Geometrie zwischen leistungselektronischen Bauteilen und Kühlkörper ergeben. Zum anderen werden Schaltbilder leistungselektronischer Grundschaltungen analysiert und besonders kritische Knoten für parasitäre Koppelkapazitäten mittels SPICE-Simulation verifiziert. Für die EMV-Eigenschaften ist das Zusammentreffen von drei Aspekten besonders ungünstig und unbedingt zu vermeiden: Große Koppelkapazität aus der Geometrie an Potentialen mit großen und schnellen Änderungen in der leistungselektronischen Schaltung. Eine Möglichkeit, die kapazitive Kopplung nahezu komplett zu eliminieren, ist die Verwendung eines elektrisch nichtleitenden Kühlkörpers. Ein solcher Kühlkörper aus Aluminiumnitrid (AlN) wurde gefertigt und dessen thermische Leistungsfähigkeit bestätigt. Hinsichtlich abgestrahlter Störungen werden Untersuchungen mit zwei Kühlkörpern gleicher Geometrie als Aluminium und AlN berichtet. Die Untersuchungen wurden in einer Halbabsorberkammer mittels Netzwerkanalysator durchgeführt. Hierbei ergab sich, dass die dielektrischen Eigenschaften des Kühlkörpers aus AlN zu einer Erhöhung der Abstrahlung führen können. Aufgrund der rein reellen Systemimpedanz des Netzwerkanalysators, welche in einer Leistungselektronik nicht gegeben ist, ist eine Übertragung der Ergebnisse auf die Impedanzen in der Leistungselektronik nicht direkt möglich. Für einen metallischen Kühlkörper ist zur Verringerung der Abstrahlung eine bis in den hohen Frequenzbereich niederinduktive Erdung wirksam.

Individuelle Wünsche jeder Einzelperson erhöhen die Bedeutung von und die Nachfrage nach individualisierten und maßgeschneiderten Produkten. Zudem wächst das Umweltbewusstsein und die Forderung nach einer ressourcenschonenden Produktion wird wichtiger denn je. Diese gesellschaftlichen Veränderungen sowie die Ressourcenknappheit stellen die Fertigungsbranche vor neue Herausforderungen. Insbesondere statische Fertigungslinien sind auf diese Herausforderungen nicht vorbereitet, denn wechselnde Produktanforderungen erfordern flexible Fertigungssysteme, welche die benötigten Fertigungsfähigkeiten bereitstellen und energie- und ressourcenineffiziente Konfigurationen der Fertigungssysteme vermeiden. Derzeit sind die meisten bestehenden Produktionssysteme für einen einzigen Verwendungszweck konzipiert und nur begrenzt oder gar nicht flexibel. Rekonfigurierbare Fertigungssysteme sind eine Lösung, um diesem Bedarf gerecht zu werden. Sie können aus verschiedenen Maschinen diverser Hersteller mit unterschiedlichen Fertigungsmöglichkeiten bestehen. Das Konzept der rekonfigurierbaren Fertigungssysteme wurde bereits unter technischen Gesichtspunkten erforscht und es wurden mehrere Lösungen für die Modularität von Hardware und Software vorgestellt. Das Rekonfigurationsmanagement während des Betriebs bleibt jedoch meist eine manuelle Aufgabe und wird individuell ausgelöst. Ohne systematische und methodische Unterstützung ist das Rekonfigurationsmanagement fehleranfällig und der Konfigurationsauswahlprozess während der Rekonfigurationsplanung bleibt subjektiv und basiert auf unvollständigem Wissen einzelner Arbeitskräfte. Um das Rekonfigurationsmanagement für Betreiber rekonfigurierbarer Fertigungssysteme zu verbessern, wird ein Digitaler-Zwilling-Framework für das Rekonfigurationsmanagement vorgestellt, welches die Berücksichtigung betrieblicher und strategischer Rekonfigurationsauslöser gewährleistet. Der Rekonfigurationsraum wird dabei sowohl auf System- als auch auf Maschinenebene berücksichtigt. Das Framework bietet eine Grundlage für Betreiber, um das Problem der Rekonfiguration besser zu verstehen. Darüber hinaus beinhaltet diese Arbeit eine Methode zur halbautomatischen Erstellung von Konfigurationsmodellen für die Hardware-Rekonfiguration auf Maschinenebene, die aus drei Methodenblöcken besteht. Erstens: eine modellbasierte Entwicklungsmethode zur Identifikation von Rekonfigurationsauslösern, d.h. rekonfigurationsrelevantem Kontext, der automatisch mit einer Ontologie formalisiert wird. Zweitens: eine Methode zur Extraktion der möglichen Konfigurationen einer Maschine aus 3D-CAD-Modellen und zur Erfassung der Konfigurationslogik in Form von Feature-Modellen. Drittens: eine halbautomatische Methode zur Kombination der Feature-Modelle mit den identifizierten Rekonfigurationsauslösern, um die Feature-Modelle für eine kontextabhängige Rekonfiguration zu erweitern. Das Digitaler-Zwilling-Framework für das Rekonfigurationsmanagement wird anhand einer Fallstudie im Fertigungsbereich validiert und auf Vollständigkeit, redundante Komponenten und die Einhaltung von Best Practices geprüft. Des Weiteren wird jeder der entwickelten Methodenblöcke in zwei verschiedenen Fallstudien validiert und anhand der Ergebnisse der Fallstudien bezüglich seiner Effektivität bewertet.

Die für eine Zulassung von Feuerlöschern für den europäischen Markt erforderlichen Prüfungen sind zusammen mit den erforderlichen Eigenschaften und Leistungsanforderungen in der DIN EN 3-7 beschrieben. Die Prüfung des Löschvermögens eines Feuerlöschers stellt sicher, dass ein Feuerlöscher im Einsatz eine Mindestfähigkeit zur Bekämpfung von Bränden der geprüften Brandklasse besitzt. Da diese Prüfungen derzeit manuell durchgeführt werden, kommt es zu Intransparenz und fehlender Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Hierdurch hängen die Ergebnisse der Versuchsdurchführung von den Fähigkeiten und der Integrität der durchführenden Person und Institution ab. Eine Lösung dieser Nachteile ist die Automatisierung der Prüfung von Feuerlöschern. Bisher ist jedoch keine Methode und kein System für die automatisierte Löschung von Bränden mit Feuerlöschern erforscht worden. Daraus lässt sich die zentrale Forschungsfrage ableiten: Wie lässt sich ein Feststoffbrand mit einer begrenzten Menge an Löschmittel löschen und welche Komponenten und Funktionen benötigt ein System für diese Herausforderung? Für ihre Beantwortung wird zuerst untersucht, mit welchen Sensoren ein automatisiertes Löschsystem ein brennendes Prüfobjekt überwachen kann und wie sich damit ein Löschvorgang steuern lässt. Anschließend wird untersucht, wie ein handelsüblicher Feuerlöscher in einem Löschvorgang automatisiert bedient werden kann. Eine zentrale Herausforderung ist die Kalibrierung der Bedienkinematik für einen Feuerlöscher auf ein zuvor entwickeltes Sensorsystem. Zusätzlich wird ein Löschalgorithmus formuliert, der ebendiese Komponenten integriert. Dafür wird das Vorgehen eines Menschen bei der Durchführung der Prüfung als Ausgangspunkt genommen, formalisiert und an die automatisierte Durchführung angepasst. Abschließend wird das Gesamtsystem in Brandversuchen mit Prüfobjekten variierender Größe evaluiert und gezeigt, dass das entwickelte System Feststoffbrände erfolgreich löschen kann.