Sichere virtuelle Technologien für die Industrie von morgen

Künstliche Intelligenz Innovationsmotor für die Zukunftsfabrik

von Prof. Dr.-Ing. Philipp Slusallek

Das Internet ist eine der größten Errungenschaften unserer Zeit. Jetzt steht das Netz vor einer Revolution. Die Vision des „Future Internet“ strebt nach einem strukturellen und nach­haltigen Wandel. Zukünftig beeinflussen intelligente Basistechnologien und Konzepte aus der Künstlichen Intelligenz und Infor­matik das World Wide Web. Und ­damit maßgeblich die industrielle Produktion der Zukunft, die sich mehr und mehr auf eines stützt: vernetzte cyber-physische Systeme.

Kollaborative Roboter, kurz Co-Bots, arbeiten mit dem Menschen Hand in Hand. Die intelligenten, vernetzten Maschinen unterstützen ihn, stimmen sich sowohl mit ihm als auch mit anderen Maschinen ab und passen sich flexibel an neue Produkte und Produktionsziele an, so das Zukunftsbild. Möglich gemacht wird dies durch moderne Software, neueste Robotertechnologie sowie dazu passende Visualisierungs- und Interaktionstechniken, die über schnelle und vor allem sichere Netzwerke und Protokolle miteinander verbunden sind.

Die nachfolgend angesprochenen Technologien geben adäquate Werkzeuge zur vielversprechenden Umsetzung der Zukunftsvision Industrie 4.0 an die Hand und im Zuge dessen zur erfolgreichen Bewältigung aller Facetten des steigenden Wettbewerbs.

Sie sind mühelos auf das Werksumfeld übertragbar und finden in vielfältigsten Branchen Verwendung. Nicht zuletzt leisten sie einen entscheidenden Beitrag zur Vision des „Future Internet“: im dynamischen Produktionsprozess der Zukunftsfabrik und schlussendlich in der Fertigung digital veredelter, intelligenter Produkte.

Am Beispiel dreier klassischer Phasen der Produktrealisierung (Anwendung – Fertigung – Entwurf) zeigen Projekte des Forschungsbereichs Agenten und Simulierte Realität (ASR) – zugehörig zum Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) – einen Querschnitt anwendungsorientierter, intelligenter Basistechno­logien zur vorrückenden Realisierung der Vision von Industrie 4.0 (Abb.1).

Von intelligenten Anwendungen zum Wunschprodukt

Für den Kunden bietet eine individualisierte Massenproduktion viele Vorteile. Nach eigenen Vorstellungen gestaltet er sein Wunschprodukt – einfach, vorab und online mittels webbasierter 3D-Konfiguration.

Auch die Hausautomation profitiert deutlich von diesen Techniken: Das Projekt Guided AB (BMWi) greift im Sinne des Industrie 4.0-Gedankens die Massenmarkttauglichkeit der zukünftigen, intelligenten Wohn­gebäude auf und arbeitet gleichzeitig an der Individualisierung des Produktes „Smart Home“.

Mit seiner offenen, semantischen Architektur gelingen die mühelose und flexible Vernetzung beliebiger Sensoren und Geräte, ihre Visualisierung und Konfiguration sowie deren Optimierung zwecks Energieeinsparung.

Aus Sicht der Forschung bietet das Gesamtvorhaben zahlreiche Anknüpfungspunkte für weitergehende Untersuchungen und Entwicklungen, welche die Bedienung von technisch komplexen Gebäuden auch für Nichtfachleute transparent, sicher und einfach gestalten.

Der virtuelle Zwilling erobert die intelligente Fertigung

Zukünftige Produktionsanlagen, Maschinen und Roboter passen sich aufgrund ihrer starken Vernetzung innerhalb kürzester Zeit an geänderte Fertigungs- und Planungsziele an. Die Folgen: Eingesparte Kosten und erhöhte Qualität der Produk­tion resultieren in einem entscheidenden Wett­be­werbsvorteil.

Beispiel: ein mittels Dual Reality erstellter, virtueller Zwilling der realen Anlagen. Am Duplikat testet und optimiert man Umplanungen, Steuerung, Wartung und andere Operationen virtuell und im Voraus. Darüber hinaus bietet der Zwilling die einfache und kostenneutrale Möglichkeit des Benutzertrainings (Abb. 2).

Im Projekt Collaborate3D (BMBF) schaffen Forscher neue Ansätze und Methoden zur kollaborativen Konfiguration und Simulation von Produktionsanlagen. Die formale Verifikation der Anlagenfunktionalität sichert und verbessert dabei nicht nur den Fertigungsprozess selbst. Mittels Multiagententechnologie werden die Handlungsabläufe der beteiligten Werker simuliert und die ergonomischen Bedürfnisse berücksichtigt.

Vernetzte Anlagen dieser Art stellen hohe Anforderungen an eine geschützte und effiziente Kommunikation. Die Middleware SINFONI (KIARA) setzt hier, ganz im Kontext von Industrie 4.0, die Sicherheit des Datenaustauschs an die oberste Stelle ­(„Security by Design“). Entwickelt von der Arbeitsgruppe um Prof. Slusallek erlaubt die Middleware die Echtzeitkommunikation hoch performanter Dienste mit Blick auf große Datenmengen (Big Data) und Hardwarearchitekturen der nächsten Generation.

Entwurf intelligenter Produkte in der virtuellen Welt

Bereits vorhandene Werkzeuge zum Entwurf von Produkten sind oft starr und auch eine Vernetzung mit anderen ist nur schlecht möglich. Im Projekt ARVIDA (BMBF) entwickeln Forscher neue Wege, existierende Werkzeuge dienstorientiert über das Internet in Echtzeit miteinander zu verknüpfen. Ziel ist es, anhand paralleler Nutzung aller Werkzeuge einen möglichst vollständigen, funktionalen, virtuellen Prototyp des Produktes zu konzipieren: den sogenannten „Digital Mock-Up“. Mittelfristig soll das Verfahren auch auf den Entwurf der gesamten Produktionsanlage ausgedehnt werden.

Ein Beispiel ist eine browserbasierte 3D-Review-Anwendung: Sie erlaubt es Planern, gemeinsam und standortunabhängig an einem Produktentwurf zu arbeiten.

Den Ansatz dahinter stützt XML3D. Die als 3D-Internetstandard vorgeschlagene Techno­logie integriert interaktive 3D-Modelle direkt in eine HTML5-Webseite, visualisiert die Daten verteilt und ermöglicht dem Nutzer so die Interaktion.

Aus dem FIWARE-Programm der EU stammen viele der Bausteine für dienstorientierte Anwendungen. Der Entwicklung dieser Bausteine folgt die Freigabe: Als Open-Source stehen sie der Öffentlichkeit ohne Einschränkung zur Verfügung. Erste Anwendungen kommen schon heute in Industrieprojekten der Branchen Automobilbau und Bauwirtschaft zum Einsatz.

Resümee

Die Zukunftsfabrik soll vor allem eines sein: intelligent, ressourcenschonend und vernetzt. Das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI) verankert den Netzwerkgedanken intelligenter Objekte in innovativer Projektarbeit und bereichert die Roadmap zur 4. Industriellen Revolution um vernetzte, sichere und virtuelle Technologien.

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