Herausforderung Digitalisierung und Industrie 4.0

Mit SoS zu neuen Anwendungen und Geschäftsmodellen

Daniel Liebhart ist Dozent für Informatik an der ZHAW (Züricher Hochschule für Angewandte Wissenschaften) und Solution Manager der Trivadis AG. Er ist Autor verschiedener Fachbücher.
Immer mehr Dinge werden weltweit via Internet miteinander verbunden. Diese intelligenten und vernetzten Alltagsgegenstände, Maschinen und Sensoren bilden die eigentliche Grundlage für die Digitalisierung und Industrie 4.0. Sinnvolle Anwendungen für das Internet der Dinge zu entwickeln, ist jedoch alles als einfach und setzt neues Denken voraus. Systems-of-Systems (SoS) heißt ein Ansatz, der dies erleichtern soll.

Schon in absehbarer Zeit wird es möglich sein, nahezu jeden Gegenstand auf dieser Erde über via Internet zu identifizieren, adressieren, kontrollieren und zu überwachen. Diese intelligenten und vernetzten "Dinge" bilden die Grundlage für die Digitalisierung und ermöglichen die Entwicklung völlig neuer Anwendungen - auch für den Business-Bereich.

Sie bieten in den Bereichen Logistik, Energiewirtschaft, industrielle Fertigung oder im Gesundheitswesen völlig neue Möglichkeiten. Dazu gehört der Einbezug von Echtzeitinformationen über Wasserstände, Wetter- oder Straßenverhältnisse. Darüber hinaus ist eine Kombination von Fernüberwachung mit Alarm- und anderen Frühwarnmechanismen notwendig - gegebenenfalls sogar der Einsatz von Drohnen zur Verifizierung automatisch gemeldeten Zustände.


Ähnliche Szenarien sind in der industriellen Fertigung zu finden. Erst die nutzbringende Kombination aus Fertigungsmaschinen, Fließbändern, Lagern, Transportrobotern und intelligenten Produkten erlaubt eine weitgehend sich selbst steuernde Fabrikation. In richtiger Kombination eingesetzt, tragen vernetzte Alltagsgegenstände zur Optimierung von Arbeitsabläufen und Geschäftsprozessen bei und versetzen Entscheider in die Lage bestehende Geschäftsmodelle zu optimieren oder komplett neu zu entwickeln.

Die meisten Anwendungsszenarien basieren auf einem vielschichtigen Zusammenspiel physischer Geräte und der Interaktion mit anderen Systemen. Diese stellen spezialisierte Funktionen bereit und können die Leistungsfähigkeit der Anwendung enorm erweitern. Eine erfolgreiche Digitalisierung ist ohne das Internet der Dinge kaum vorstellbar. Die Entwicklung passender Systeme und Anwendungen ist jedoch hochkomplex, wie die als Modell existierende vollautomatische Fabrik des Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) sehr deutlich vor Augen führt.

Von Teilsystemen zur Systemklasse

Die Integration und Kombination unabhängiger, sehr unterschiedlicher Teilsysteme führt zur Bildung einer neuen Systemklasse - den Systems-of-Systems (SoS). Es handelt sich dabei um eine verstreute Menge komplexer, unabhängiger und heterogener Systembestandteile. Jedes einzelne davon wurde für ein bestimmtes Einsatzgebiet entwickelt und arbeitet mit anderen zusammen, um ein gemeinsames Ziel zu erreichen.

Beispiele für SoS sind GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) der Group on Earth Observations oder SESAR (Single European Sky ATM Research Programme) von Eurocontrol. GEOSS wird für die Erdbeobachtung eingesetzt und wird für Anwendungen wie beispielsweise die Voraussage der Ausbreitungswege von Seuchen, für die Katastrophenvorsorge, für die mögliche optimale Platzierung von Solarkraftwerken und viele andere Einsatzgebiete verwendet. Alle basieren auf der Korrelation von Informationen, die aus verschiedensten Systemen stammen.

SESAR kombiniert die Flugsicherungssysteme verschiedener Länder mit übergreifenden Systemen wie beispielsweise Galileo mit dem Ziel, die Kapazität des Flugraumes zu verdreifachen bei gleichzeitiger Erhöhung der Sicherheit und der Umweltverträglichkeit. Eines ist diesen Systemen gemeinsam; Getreu dem Motto "Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile" lässt sich das erzielte Ergebnis später nicht mehr auf die Leistungen eines Einzelsystems zurückführen.

SoS unterscheiden sich jedoch von anderen komplexen und sehr großen Systemen durch vier Eigenschafgten:

  • Unabhängigkeit

  • Evolution

  • Eigendynamik

  • geografische Verteilung

Zu dieser Einschätzung fand ein interuniversitäres Forschungsteam aufgrund einer Relevanzanalyse von 93 zentralen Veröffentlichungen der letzten Jahre zum Thema Internet der Dinge heraus und publizierte es an der letztjährigen European Conference on Software Architecture (ECSAW) in Wien im Beitrag "On the Development of Systems-of-Systems based on the Internet of Things: A Systematic Mapping". Die vier Eigenschaften sind relevant für die Entwicklung zukünftiger Anwendungen. So bedeutet die Eigenschaft Unabhängigkeit, dass die beteiligten Systeme dezentral verwaltet werden und jedes für sich funktioniert, auch wenn es keine übergeordnete Funktion abdeckt oder ausführt.

Systeme der Klasse SoS verhalten sich evolutionär, um Veränderungen der Umgebung, der beteiligten Systeme oder der eigenen Aufgabenstellung im laufenden Betrieb zu adaptieren. Die Eigendynamik ist durch die Tatsache gegeben, dass alle beteiligten Systeme eine bestimmte Aufgabe nicht allein, sondern nur in Zusammenarbeit mit anderen Systemen erfüllen können. Die geografische Verteilung heißt, dass die Einzelsysteme physisch vollständig getrennt sind und nur Informationen austauschen können. All dies gilt es bei der Entwicklung neuer Anwendungen zu berücksichtigen - gute Zusammenarbeit ist dabei das A und O.

Fazit

Der Ansatz des SoS verdeutlicht, dass in der Vernetzung von Alltagegegenständen ein wichtiger Schlüssel zur Digitalisierung, Industrie 4.0 und IT-getriebenen Geschäftsmodellen liegt. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften lassen sich entsprechende Systeme sehr gut von internationalen Unternehmen und Forschungsinstitutionen gemeinsam entwickeln und intelligent mit einander kombinieren. Dies setzt jedoch ein Umdenken seitens der Entscheider und eine Berücksichtigung der Besonderheiten dieser Systeme seitens der Experten voraus - und gerade hier gibt es mit Sicherheit noch viel zu tun. (bw)