Industrie 4.0


Menschen, Maschinen und Organisationen im World Wide Web
Seit Jahresbeginn 2013 kamen sowohl in Deutschland als auch gesamteuropäisch Diskussionen zu einer industriepolitischen Wende in Gange, welche auch als die „vierte industrielle Revolution“ bezeichnet wird. Unsere Schlussfolgerungen und unsere Position zu den Themen “Industrie 4.0”, das “industrielle Internet” und das “Internet der Dinge”.

Position-Paper (Deutsch) (pdf)

Salzburg Research – Expertise im Umfeld von Industrie 4.0

Salzburg Research hat im Bereich der semantischen Modellierung und in der Entwicklung von Web-basierten Anwendungen auf der Basis semantischer Modelle in der Vergangenheit umfangreiche Erfahrungen gemacht. In unseren Projekten entwickelten wir unter anderen ein generisches Modell für mechatronische Produkte und Prozesse sowie ein generisches Modell für die Verwaltung digitaler Inhalte.

Wir haben darüber hinaus zwei Apache Projekte initiiert: Stanbol bietet ein Open Source Software Framework für die semantische Analyse und Anreicherung digitaler Inhalte, und Marmotta realisiert eine Linked Data Plattform für Web-basierte semantische Anwendungen.

Salzburg Research bietet folgende Expertise an:

  • Analyse und Modellierung von Anwendungsdomänen und branchenspezifischem Wissen
  • Entwicklung von Software Prototypen
  • Entwicklung von Software Frameworks, insbesondere Open Source Plattformen

Unsere Gruppe entwickelt seit über einem Jahrzehnt semantische Modelle für digitale Inhalte und hat dieses Wissen zwischen 2006 und 2009 auf die Modellierung mechatronischer Artefakte und deren technischen Entwicklungsprozesse erweitert. Durch das jüngste Wiederaufleben von Fertigung und Produktion als Themen der nationalen und europäischen Forschungsprogramme haben wir uns entschieden diese Expertise verstärkt auf unsere Agenda zu setzen. Wir haben dazu in den letzten Monaten intensiv die Diskussionen zum Thema „Industrie 4.0“ in unserem Nachbarland Deutschland, aber auch die von General Electric in den USA getriebenen Visionen zum „industriellen Internet“ verfolgt.

Wir suchen für die Durchführung von kooperativen Forschungs- und Entwicklungsprojekten Forschungs- und Wirtschaftspartner mit Erfahrungen in der technischen Entwicklung, Produktion und Wartung aus den Branchen Automatisierung, Fertigungs-, Fahrzeug- und Luftfahrt-Industrie. Im Folgenden beschreiben wir eine Idee, die wir im Europäischen Rahmenprogramm Horizon 2020 zu einem erfolgreichen Projektantrag entwickeln wollen:

Projektidee: Sensing Supply Management via C2B Signalling

Eines unserer Partnerunternehmen berichtete von einem speziellen Problem im Umfeld der Versorgungskette, das in dieser Form sicher auch auf andere Hersteller von Bauteilen verallgemeinert werden kann: Dieses Unternehmen erzeugt Anlagenkomponenten und hat sich einen guten Ruf für verlässliche, flexible und rasche Produktion und Lieferung aufgebaut. Das führte dazu, dass die Produktion immer zeitkritisch erfolgt: In letzter Konsequenz hat das Management aufgrund der kurzfristig einlangenden Bestellungen einen Planungshorizont von lediglich zwei Wochen. Weiter vorausschauend ist eine Planung nicht verlässlich möglich. Eine kurze Analyse der Situation zeigte, dass zwischen der Kaufentscheidung eines Endkunden und dem Eintreffen der Bestellung eines benötigten Bauteils im Warenwirtschaftssystem unseres Partners mindestens eine Woche vergeht. Die Forschungsfrage lautet nun: „Wie kann die Kaufentscheidung des Kunden unmittelbar an die Versorgungskette weitergegeben werden?“. Dabei sind die Sicherheit, Privatsphäre und das Vertrauen entlang der gesamten Kette zu gewährleisten.

Industrie 4.0 – Ursprung und zukünftige Entwicklung

In der Bundesrepublik Deutschland stehen die Herren Wolfgang Wahlster (DFKI) und Henning Kagermann (Akademie der technischen Wissenschaften) Pate für die Entwicklung einer nationalen Hightech-Strategie mit der Bezeichnung „Industrie 4.0“ (http://bit.ly/19YTdyg).

Diese mit bis zu 200 Millionen Euro dotierte Zukunftsprojekt wurde von den Vorständen großer deutscher Leitbetriebe (Bosch, Siemens, SAP, Festo, Wittenstein u.a.) begrüßt. Als wir die Ideen des Programms Mitte 2013 in österreichischen Betrieben vorstellten, war Industrie 4.0 eben erst auf dem Radar aufgetaucht, wurde aber weitgehend als „Modewort“ für bereits bekannte Automatisierungsthemen verstanden. Im Oktober 2013 war dann der Begriff auf der Automatisierungs-Messe (SMART 2013, Linz) schon weitestgehend bekannt.

Die Botschaft von der europäischen Re-Industrialisierung ist angekommen

In den vergangenen Monaten haben wir einige größere Industrie-Unternehmen im Bundesland Salzburg besucht und haben deren Interessen und Sicht auf das Potenzial der Industrie 4.0 Bewegung befragt. Meist wurde die Kombination von Internet-Technologien mit den gefertigten Produkten als wichtig eingeschätzt, aber gleichzeitig herrschte der Eindruck, dass das Thema nicht „greifbar“ genug sei, um aktuell Ressourcen zur Verfügung zu stellen. Die Manager begrüßten den längst überfälligen politischen Schwerpunkt zur Stärkung der europäischen Industrie.

Was ist Industrie 4.0 – und was waren die Vorgängerversionen?

Die Proponenten von Industrie 4.0 definieren die vier Phasen der Industrialisierung folgendermaßen:

  • Industrie 1.0: Einführung von mechanischen Produktionsanlagen unter Einsatz von Wasser- und Dampfkraft als Ersatz für die menschliche Arbeitskraft
  • Industrie 2.0: Einführung von arbeitsteiliger Massenproduktion mithilfe elektrischer Energie
  • Industrie 3.0: Automatisierung der Produktion durch den Einsatz von Elektronik und Informationstechnologie
  • Industrie 4.0: Einführung von cyber-physischen Systeme und Nutzung der Konnektivität mithilfe der Internet-Technologien

Was sich abzeichnet, ist eine Konvergenz des WWW, der sozialen Medien, e-Commerce, Logistik und Produktion.

Die Grundprinzipien von Industrie 4.0

Bereits 1999 argumentierten Carl Shapiro und Hal R. Varian von der Berkeley University of California in ihrem Paper „Intro for Managing in a Modular Age“ (http://bit.ly/17I5oPk), dass Innovationen oft durch die Kombination vormals nicht verbundener Technologien entstehen. Dies scheint nun auch durch die Verbindung von den Fertigungs- mit den Web-Technologien der Fall zu sein:

  • Cyber-physische Systeme: Industriemaschinen existieren einerseits als reale (physische) Maschinen, andererseits aber auch virtuell im Web. Die Möglichkeiten, mit Maschinen direkt über das Web zu interagieren, steigen exponentiell.
  • Virtualisierung: Die physische Welt – insbesondere die Geschäftsprozesse, die Versorgungs- und Lieferprozesse – wird zunehmend digitalisiert und wird damit berechenbar und simulierbar.
  • Vernetzung von Menschen, Organisationen und Maschinen: Nicht nur Menschen und Organisationen, sondern zunehmend auch Maschinen sind ständig online. Dadurch können alle mit allem zu jeder Zeit kommunizieren, und jeder und alles wird nachverfolgbar – mit allen Vor- und Nachteilen.
  • Das Internet der Dinge: Ein zentrales Argument für das Potenzial der Virtualisierung ist die eindeutige Adressierbarkeit physischer Objekte  in einer Internet-ähnlichen Struktur: Unsere Autos sind ebenso identifizierbar wie ihr Motor, ihr linkes Vorderrad usw.

Forschungsfragen für Industrie 4.0

  • Woran können wir erkennen, dass etwas den Industrie 4.0 Prinzipien entspricht? (eine Benchmarking-Fragestellung)
  • Wie können wir digitale Produkt-Gedächtnisse sicherstellen, die den gesamten Produktlebenszyklus abdecken?
  • Wie kann die Kaufentscheidung des Kunden unmittelbar an die Versorgungskette weitergegeben werden?
  • Wie können wir einen vollständigen (oder zumindest ausreichenden) Informationsfluss entlang der gesamten Wertschöpfungskette schaffen und dabei die Privatsphäre der Anwender schützen?
  • Wie können wir in Produktionsumgebungen ein akzeptables Maß an Sicherheit schaffen, wenn der Zugriff darauf über das Web erfolgt.
  • Welche neuen Verwendungsmöglichkeiten und Geschäftsmodelle ergeben sich durch die Virtualisierung?

Salzburg Research – Unsere Ziele in Bezug auf Industrie 4.0

Wissensrepräsentation und –Persistierung für industrielle Artefakte

Einer der Grundpfeiler von Industrie 4.0 ist die Idee ausdrucksstarker semantischer Repräsentation industrieller Artefakte. Das Leben eines solchen Artefakts beginnt als Rohmaterial (z.B. in einer Erzmine) und setzt sich dann beispielsweise in einem indischen Stahlwerk fort. In England wird daraus ein Getriebegehäuse gefertigt, das seinerseits aus mehreren Komponenten unterschiedlicher Herstellern besteht.  Schließlich wird das Getriebe in Deutschland in eine Fräsmaschine eingebaut, die an ein japanisches Unternehmen verkauft wird.

Als das Getriebegehäuse nach einiger Zeit bricht, meldet die japanische Firma beim deutschen Hersteller der Fräsmaschine Garantieansprüche an. Diese werden gewährt, weil vorzeitige Materialermüdung als Ursache des Schadens festgestellt wird. Um in Zukunft die Qualität ihrer Produkte zu verbessern, möchte die deutsche Firma ihre Lieferanten über die Materialermüdung informieren.

Wie weiß nun der englische Hersteller des Getriebegehäuses, welches Gehäuse das Problem verursachte? Wie weiß er, welche Stahllieferung zur Produktion dieses Getriebegehäuses verwendet wurde?

Unterstützung des Entwicklungs- und Fertigungsprozesses

Aufbauend auf die Ergebnisse früherer Forschungsarbeiten werden wir Verfahren zur Unterstützung globaler kollaborativer ingenieurmäßiger Design- und Entwicklungsprozesse entwickeln: Im Bereich der Mechatronik gibt es immer noch schlechte fachübergreifende  Werkzeugunterstützung: Die Welten der Hardware und jene der Software sind im Bereich der Elektronik völlig voneinander isoliert und unterstützen nicht ernsthaft „funktionale Modellierungsansätze“, d.h. eine Beschreibung von Artefakten durch ihre Funktion. In mechatronischen Produkten kommt der funktionalen Modellierung eine noch größere Bedeutung zu, weil dort die elektronischen und die mechanischen Eigenschaften aufeinander abgestimmt werden müssen.

Unsere Vision besteht in einem vom Kunden getriebenen Design: Unter gegebenen funktionalen Anforderungen und einer preislichen Obergrenze geht es um die Frage, welche mechatronischen Artefakte miteinander kombiniert werden können, um die gewünschte Funktionalität bereitzustellen.

Open Standards, Open Access, Open Source – offene Fragen?

Wenn Ingenieursdisziplinen auf Ansätze des Web 2.0 treffen, ergeben sich einige interessante Fragestellungen: Im Web man geht üblicherweise davon aus, dass Inhalte und Services grundsätzlich frei verfügbar sind. Für erweiterte, verlässliche, professionellere Dienste setzt sich zunehmend das Bewusstsein durch, dass man auf „Bezahlversionen“ umsteigt.

Im Gegensatz dazu sichert die Industrie ihre Produkte und Services durch Patente, Lizenzen und entsprechende Preismodelle ab. Es gibt zwar service-orientierte Modelle, jedoch sind sie üblicherweise auf sehr komplexe Produkte beschränkt (z.B. die Flugstunden einer Rolls-Royce Flugzeugturbine).

Wenn die physische und die virtuelle Welt nun verschmelzen, werden Fragestellungen nach geeigneten Geschäftsmodellen virulent. Salzburg Research hat in der Vergangenheit, v.a. im Bereich der Software – aber auch im Bereich der Standards und des Informationszugangs – immer offene Lizenzmodelle (wie z.B. die Apache Lizenz) bevorzugt, um die Zusammenarbeit mit Projektpartnern zu vereinfachen und eine ausreichend große Entwicklergemeinschaft für die Software zu etablieren.

Abseits der technologischen Aspekte von Industrie 4.0

Industrie 4.0 kann als starker technologisch getriebener Trend hin zu einer weiteren Automatisierung betrachtet werden: Dabei dürfen gesellschaftliche und ökologische Aspekte nicht außer Acht gelassen werden. Letztlich müssen sich die innovativen technologischen Entwicklungen in einen tatsächlichen Nutzen für die Gesellschaft verwandeln lassen.