Digital Technologies in the Industrial Sector : Technology-driven Threats and Opportunities

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Berger, Stephan:
Digital Technologies in the Industrial Sector : Technology-driven Threats and Opportunities.
Bayreuth , 2020 . - III, 48 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Rechts- und Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004940

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Abstract

Digitalization is driven by the rapid emergence and adoption of digital technologies. At unprecedented speed, technological advancements are triggering disruptive changes that affect individuals, organizations, and society on a global scale. In the industrial sector, the rise of new digital technologies such as Cyber-physical Production Systems and the Industrial Internet of Things accelerates the transition from traditional production facilities towards so-called smart factories. These self-organizing and self-optimizing production systems enable more flexible and efficient processes to produce higher quality products at reduced cost. With this, the fourth industrial revolution is profoundly influencing the competitiveness of organizations and regions, affecting productivity, economic growth, and working profiles. Despite their growing importance, the nature of digital technologies – in terms of similarities and differences in their characteristics – remains poorly understood. This hampers scientific progress and practical application, while technology driven threats and opportunities remain largely opaque. Against this backdrop, this thesis first elaborates on the fundamental understanding of digital technologies, before applying an industrial perspective in order to focus on Cyber-physical Production Systems as the core technology in smart factories. This understanding builds the foundation for the identification, analysis, and management of IT security threats and ecological opportunities in the industry.
This thesis provides two perspectives on the technological foundation of digitalization, developing an in depth understanding of digital technologies, per se, and Cyber physical Production Systems as a specific technology applied in the industrial sector. Based on a sample of real-world technologies, research article #1 presents a low-level taxonomy of digital technology characteristics, and high-level archetypes representing technology groups. These classification schemes provide long-lasting insights that are much needed in the fast-moving field of digitalization. Focusing on digital technologies in the industry, research article #2 defines and classifies entities of Cyber physical Production Systems and illustrates their relationships using a terminology, taxonomy, and reference model. Both research articles provide descriptive knowledge of technology, on which further advancements in research and practice can build.
Within the industrial sector, the high degree of cross-linking and decentralization of applied digital technologies brings new complexity and increases the vulnerability of systems to IT (security) threats. Focusing on technology-driven threats, research article #3 proposes a taxonomy of attacks on the Industrial Internet of Things. Drawing on an inductively and deductively compiled sample of attacks, the taxonomy enables the classification of both conventional and emergent attacks. The analysis of an attacked steel facility in Germany provides insights on the use of the taxonomy, which supports the intra- and inter organizational identification, documentation, and communication of incidents. Analyzing the impact of IT threats within smart factory networks, research article #4 focuses on the effects of attack and error propagation on production processes. Based on Petri Nets, the presented modeling approach enables organizational stakeholders to compare different smart factory architectures in terms of the impact of IT threats on the availability of information components and production machines. The approach thus provides support for layout decisions and the derivation of appropriate IT security mitigation measures.
With regard to technology-driven opportunities, the thesis offers a technology-driven perspective on ecological sustainability in the industry. Research article #5 develops and evaluates a Benefits Dependency Network which can be used to systematically identify and structure cause-effect relations between digital technology, associated business changes, and ecological benefits. Several artificial and real-world instantiations indicate its practical applicability. As a result, the framework supports decision-making about technology investments, and serves as a basis for planning, executing, and evaluating digitalization projects towards ecological sustainability.

Abstract in weiterer Sprache

Digitalisierung wird durch die rasante Entwicklung und Verbreitung von digitalen Technologien vorangetrieben. Der technologische Fortschritt löst dabei disruptive Veränderungen aus, welche sich auf Individuen, Organisationen und die Gesellschaft auf globaler Ebene auswirken. Insbesondere in der Industrie führt der zunehmende Einsatz digitaler Technologien – wie cyber-physische Produktionssysteme und das industrielle Internet der Dinge – dazu, dass sich traditionelle Produktionsanlagen in intelligente Fabriken, sogenannte Smart Factories, transformieren. Diese selbst organisierenden und selbst optimierenden Systeme ermöglichen hoch flexible und effiziente Produktionsprozesse zur kostengünstigen Herstellung qualitativ hochwertiger Produkte. Diese vierte industrielle Revolution beeinflusst die Produktivität, das Wirtschaftswachstum und Arbeitsprofile von Unternehmen und Regionen maßgeblich und wirkt sich damit auch auf deren Wettbewerbsfähigkeit aus. Trotz ihrer wachsenden Bedeutung sind digitale Technologien jedoch weiterhin unzureichend erforscht. Dies hemmt sowohl den wissenschaftlichen Fortschritt als auch die Anwendung in der Praxis und technologiegetriebene Bedrohungen und Chancen bleiben weitgehend intransparent. Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Dissertation zunächst ein grundlegendes Verständnis von digitalen Technologien, bevor cyber-physische Produktionssysteme als Kerntechnologie in intelligenten Fabriken aus industrieller Perspektive diskutiert werden. Dieses technologische Verständnis bildet im weiteren Verlauf die Grundlage für die Identifizierung, die Analyse und das Management von IT-Sicherheitsbedrohungen und ökologischen Chancen in der Industrie.
In Bezug auf die technologischen Grundlagen der Digitalisierung wird zunächst ein tiefes Verständnis von digitalen Technologien im Allgemeinen, und cyber-physischen Produktionssystemen als industrielle Technologie im Besonderen geschaffen. Auf Basis der Klassifikation von realweltlichen Technologien liefert der erste Forschungsbeitrag eine Taxonomie für digitale Technologien sowie Technologiegruppen, sog. Archetypen. Diese Klassifizierungsschemata liefern langlebige Erkenntnisse, die im dynamischen Digitalisierungsumfeld dringend benötigt werden. Mithilfe einer Terminologie, einer Taxonomie und eines Referenzmodells werden im zweiten Forschungsartikel Entitäten von cyber-physischen Produktionssystemen definiert, klassifiziert und in Beziehungen gesetzt. Beide Forschungsartikel tragen zum deskriptiven Wissen im Bereich der digitalen Technologien bei, auf dem weiterführende Forschungs- und Praxisvorhaben aufbauen können.
Der hohe Vernetzungs- und Dezentralisierungsgrad von industriell eingesetzten digitalen Technologien erhöht sowohl die Komplexität als auch die Anfälligkeit von Systeme gegenüber IT-(Sicherheits )Bedrohungen. Der dritte Forschungsartikel widmet sich technologiegetriebenen Bedrohungen und entwickelt eine Taxonomie mit Eigenschaften von Angriffen auf das industrielle Internet der Dinge. Die Taxonomie wurde mithilfe aktueller Literatur als auch Cyber-Angriffen aus der Praxis abgeleitet und ermöglicht die Klassifizierung von konventionellen und emergenten Angriffen. Die Analyse eines Angriffs auf ein deutsches Stahlwerks gibt Einblicke in die Anwendung der Taxonomie, welche die inner- und zwischenbetriebliche Identifikation, Dokumentation und Kommunikation von Cyberangriffen unterstützt. Der vierte Forschungsartikel thematisiert die Auswirkungen von IT-Bedrohungen in intelligenten Fabriknetzwerken und fokussiert sich dabei auf die Angriffs- und Fehlerausbreitung innerhalb von Produktionsprozessen. Der Modellierungsansatz basiert auf Petri-Netzen und ermöglicht es, verschiedene Produktionsarchitekturen hinsichtlich der Verfügbarkeit von Informationskomponenten und Produktionsmaschinen unter Angriffs- und Fehlereinwirkung zu untersuchen. Auf diese Weise werden Layout-Entscheidungen und die Ableitung geeigneter IT Sicherheitsmaßnahmen unterstützt.
Im Hinblick auf technologiegetriebene Chancen bietet die Dissertation eine technologische Perspektive auf ökologische Nachhaltigkeit in der Industrie. Entsprechend entwickelt und evaluiert der fünfte Forschungsartikel ein Benefits Dependency Network, welches zur systematischen Identifizierung, Strukturierung und Verknüpfung von digitalen Technologien, ökologischen Nutzenpotentialen und notwendigen Prozessveränderungen dient. Die praktische Anwendbarkeit des Modells wird im Rahmen mehrerer fiktionaler und realer Anwendungen validiert. Gesamtgesehen unterstützt das Benefits Dependency Network die Entscheidungsfindung bei Technologieinvestitionen und dient als Grundlage für die Planung, Durchführung und Evaluierung von Digitalisierungsprojekten hinsichtlich ökologischer Nachhaltigkeit.