Quando mescoli insieme bianco e nero, diventi grigio e, con esso, un nuovo metodo che dovrebbe consentire ai sistemi elettronici complessi di monitorarsi da soli. Utilizzando i cosiddetti modelli a scatola grigia, su cui stanno lavorando i ricercatori del Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM, sarà possibile rilevare segni di usura o manipolazione nei sistemi elettronici in una fase iniziale, prima che si verifichi un guasto effettivo.

Il nuovo processo è inizialmente sviluppato e testato per applicazioni critiche per la sicurezza nei settori automobilistico e ferroviario. Il principio di base può, tuttavia, essere trasferito a molti altri campi di applicazione.

Un'auto dovrebbe funzionare in modo affidabile per molti anni, attraverso estati calde, inverni gelidi, pioggia e tempeste. Oggi, però, i nostri veicoli sono dotati sempre più di dispositivi elettronici che devono essere in grado di resistere a queste condizioni estreme.

Finora, questo problema per i sistemi critici per la sicurezza è stato spesso risolto nella pratica con un design eccessivo e caratteristiche ridondanti. Uno di questi esempi sono i sistemi elettronici o parti di essi installati in duplicato, in modo che quando si verifica un guasto, il sistema di backup può subentrare fino a quando il problema non viene risolto.

Un progetto di ricerca presso Fraunhofer IZM sta contribuendo a un futuro di soluzioni più eleganti, sostenibili ed efficienti dal punto di vista energetico in quest'area. Nell'ambito del progetto SesiM, iniziato la scorsa estate sotto la guida di Siemens AG, i ricercatori Fraunhofer stanno lavorando insieme ad altri partner nei settori della mobilità e dell'intelligenza artificiale per trovare soluzioni di auto-validazione per sistemi elettronici complessi.

Concentrandosi sulle applicazioni automobilistiche e ferroviarie, i ricercatori stanno studiando come questi sistemi potrebbero valutare se stessi e riferire sulle loro condizioni, ad esempio tramite un sistema di illuminazione integrato.

"Siamo più interessati allo stato prima che i componenti elettronici si rompano rispetto a quando sono effettivamente rotti", spiega il Dr. Johannes Jaeschke, ingegnere elettrico e responsabile del progetto Fraunhofer IZM per il progetto congiunto.

"Molto prima che un sistema si guasti, alcune funzioni possono essere compromesse, ad esempio quando i materiali diventano fragili. La stabilità meccanica del componente spesso non fornisce un rilevamento sufficientemente precoce dei segni dell'invecchiamento. Questo rende difficile monitorare i sistemi elettronici."

Rendere grigio dal bianco e nero

I ricercatori del progetto vedono nel modello della scatola grigia la chiave per un'efficace autoconvalida dei sistemi elettronici. Ha acquisito questo nome in quanto si basa sia sull'approccio della scatola bianca che su quello della scatola nera.

Da molti anni Fraunhofer IZM lavora intensamente sui sistemi elettronici a livello fisico. Grazie alla loro esperienza nella tecnologia di misurazione e nella progettazione, i ricercatori possono sviluppare modelli per il monitoraggio e la previsione delle condizioni basati su processi fisici e modellati attorno, ad esempio, a condizioni al contorno come temperatura o umidità.

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." + Esplora ulteriormente

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