Als je zwart en wit mengt, krijg je grijs - en daarmee een nieuwe methode waarmee complexe elektronische systemen zichzelf kunnen controleren. Met behulp van zogenaamde grey box-modellen, waar onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM aan werken, is het mogelijk om in een vroeg stadium tekenen van slijtage of manipulatie in elektronische systemen te detecteren, voordat er daadwerkelijk een storing optreedt.

Het nieuwe proces wordt in eerste instantie ontwikkeld en getest voor veiligheidskritische toepassingen in de automobiel- en spoorwegsector. Het basisprincipe kan echter op veel meer toepassingsgebieden worden overgedragen.

Van een auto wordt verwacht dat hij jarenlang betrouwbaar blijft rijden, door hete zomers, ijzige winters, regen en stormen. Tegenwoordig zijn onze voertuigen echter uitgerust met steeds meer elektronische apparaten die deze extreme omstandigheden moeten kunnen weerstaan.

Tot nu toe is dit probleem voor veiligheidskritieke systemen in de praktijk vaak opgelost met overdesign en redundante features. Een voorbeeld hiervan zijn elektronische systemen of delen daarvan die in tweevoud worden geïnstalleerd, zodat bij een storing het back-upsysteem het kan overnemen totdat het probleem is verholpen.

Een onderzoeksproject bij Fraunhofer IZM draagt ​​bij aan een toekomst van elegantere, duurzamere en energiezuinigere oplossingen op dit gebied. Als onderdeel van het SesiM-project, dat afgelopen zomer begon onder leiding van Siemens AG, werken Fraunhofer-onderzoekers samen met andere partners op het gebied van mobiliteit en kunstmatige intelligentie om zelfvalidatieoplossingen voor complexe elektronische systemen te vinden.

De onderzoekers richten zich op automotive- en railtoepassingen en onderzoeken hoe deze systemen zichzelf kunnen beoordelen en rapporteren over hun toestand, bijvoorbeeld via een geïntegreerd lichtsysteem.

"We zijn meer geïnteresseerd in de toestand voordat de elektronica kapot gaat dan wanneer ze daadwerkelijk kapot zijn", legt dr. Johannes Jaeschke, elektrotechnisch ingenieur en de projectleider van Fraunhofer IZM voor het gezamenlijke project uit.

"Lang voordat een systeem faalt, kunnen bepaalde functies in het gedrang komen, bijvoorbeeld wanneer materialen broos worden. De mechanische stabiliteit van het onderdeel zorgt vaak niet voor vroegtijdige detectie van tekenen van veroudering. Dit maakt het monitoren van elektronische systemen lastig."

Grijs maken van zwart en wit

De onderzoekers van het project zien het grijze doosmodel als de sleutel tot effectieve zelfvalidatie van elektronische systemen. Het heeft deze naam gekregen omdat het gebaseerd is op zowel de white box- als de black box-benadering.

Fraunhofer IZM werkt al jaren intensief aan elektronische systemen op fysiek niveau. Met hun expertise in meettechnologie en ontwerp kunnen de onderzoekers modellen ontwikkelen voor condition monitoring en forecasting op basis van fysieke processen en gemodelleerd rond bijvoorbeeld randvoorwaarden zoals temperatuur of vochtigheid.

Because it is clear how this type of model functions, it is called a white box model. However, the more complex an electronic system is, the harder it is to map and monitor it on a purely physical level in a holistic manner. For data-driven models that use artificial intelligence, complex structures and large amounts of data are no problem. However, what happens inside these systems remains unclear—hence the name black box model.

"We can combine the best of both worlds in gray box models," summarizes Jaeschke. "This is why we are also referring to it as hybrid modeling. We can process a vast amount of data while, at the same time, understanding the physical reasons behind changes in the signal. This way, we can increase trust in our data."

From test printed circuit boards (PCBs) to prototypes

To date, practical applications of gray box models are largely unchartered territory. So, after an initial design phase, the SesiM researchers are now also working on describing simple circuits that will increase in complexity as the research project progresses. The test PCBs are precisely measured and tested during production and then in their operating state.

"By doing this, we are generating a digital fingerprint for our test wiring," explains Jaeschke. This means that data will be collected even under extreme boundary conditions.

The next step is to identify the parameters within the large amount of data that are relevant for mapping the system and then, taking into account the physical knowledge, to create a model that detects deviations from a predefined ideal state. External manipulations should thereby be recognized as quickly as possible, and wear can be forecast early on.

At a later point in the project, the test PCBs will then be transferred to prototypes for automotive and rail applications, which will be used to extensively analyze the models created.

Potential for a range of applications

In the future, it may therefore be possible for an integrated intelligent system in a car to provide an early warning for a problem with the electronics, offering a self-diagnosis. When servicing a car, mechanics will then be able to view all of the information collected by the vehicle about its condition and make targeted repairs on the basis of this information.

A follow-up project by researchers at Fraunhofer IZM will focus on the topic of aviation. Applications outside of the mobility sector are also possible—for example in medical engineering and offshore windfarms, for which regular external monitoring and preventative maintenance are difficult to carry out.

The overarching aim of SesiM is to initially prove that the basic principle that electronic systems can self-validate using gray box models actually holds true.

Jaeschke has faith in the idea:"If we succeed, our approach will make a significant contribution to increasing the reliability of electronic systems. It is hugely important, particularly in the safety-critical mobility sector, and would further strengthen the reputation of automotive and rail technology developed in Germany." + Verder verkennen

LiDAR and radar sensors—space-saving headlight installation