Quando você mistura preto e branco, obtém cinza - e com isso, um novo método que deve permitir que sistemas eletrônicos complexos se monitorem. Usando os chamados modelos de caixa cinza, nos quais pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Confiabilidade e Microintegração IZM estão trabalhando, será possível detectar sinais de desgaste ou manipulação em sistemas eletrônicos em um estágio inicial, antes que ocorra uma falha real.
O novo processo está sendo inicialmente desenvolvido e testado para aplicações críticas de segurança nos setores automotivo e ferroviário. O princípio básico pode, no entanto, ser transferido para muitas outras áreas de aplicação.

Espera-se que um carro funcione de forma confiável por muitos anos, através de verões quentes, invernos gelados, chuva e tempestades. Hoje, no entanto, nossos veículos estão equipados com cada vez mais dispositivos eletrônicos que devem ser capazes de suportar essas condições extremas.

Até agora, este problema para sistemas críticos de segurança tem sido muitas vezes resolvido na prática com recursos redundantes e superprojetados. Um exemplo são os sistemas eletrônicos ou partes deles que são instalados em duplicata, de modo que, quando ocorrer uma falha, o sistema de backup possa assumir o controle até que o problema seja corrigido.

Um projeto de pesquisa na Fraunhofer IZM está contribuindo para um futuro de soluções mais elegantes, sustentáveis ​​e energeticamente eficientes nesta área. Como parte do projeto SesiM, que começou no verão passado sob a liderança da Siemens AG, os pesquisadores da Fraunhofer estão trabalhando em conjunto com outros parceiros das áreas de mobilidade e inteligência artificial para encontrar soluções de autovalidação para sistemas eletrônicos complexos.

Com foco em aplicações automotivas e ferroviárias, os pesquisadores estão investigando como esses sistemas podem se avaliar e relatar sua condição, por exemplo, por meio de um sistema de luz integrado.

"Estamos mais interessados ​​no estado antes que os eletrônicos sejam quebrados do que quando eles realmente quebram", explica o Dr. Johannes Jaeschke, engenheiro elétrico e líder do projeto Fraunhofer IZM para o projeto conjunto.

"Muito antes de um sistema falhar, certas funções podem ser comprometidas, por exemplo, quando os materiais se tornam quebradiços. A estabilidade mecânica do componente muitas vezes não fornece detecção precoce de sinais de envelhecimento. Isso torna difícil monitorar sistemas eletrônicos."

Fazendo cinza a partir de preto e branco

Os pesquisadores do projeto veem o modelo de caixa cinza como a chave para a autovalidação efetiva de sistemas eletrônicos. Adquiriu este nome porque é baseado em abordagens de caixa branca e caixa preta.

Por muitos anos, Fraunhofer IZM tem trabalhado intensamente em sistemas eletrônicos em nível físico. Com sua experiência em tecnologia de medição e design, os pesquisadores podem desenvolver modelos para monitoramento e previsão de condições com base em processos físicos e modelados em torno, por exemplo, de condições de contorno, como temperatura ou umidade.

Por ser claro como esse tipo de modelo funciona, ele é chamado de modelo de caixa branca. No entanto, quanto mais complexo for um sistema eletrônico, mais difícil será mapeá-lo e monitorá-lo em um nível puramente físico de maneira holística. 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." + Explorar mais

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