Industrie 4.0: Künstliche Intelligenz in der Produktion · Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. mult....
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Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. mult.
Wolfgang Wahlster
Industrie 4.0: Künstliche Intelligenz
in der Produktion
Saarbrücker Wissenschaftler berichten über ihre aktuellen Forschungsprojekte Saarbrücken, 3. Februar 2014
Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH
Saarbrücken/Kaiserslautern/Bremen/Berlin/Osnabrück
Tel.: (0681) 85775-5252/4162
Fax: (0681) 85775-5383/5341
E-mail: [email protected]
www.dfki.de/~wahlster
© W. Wahlster
Konferenz zur HighTech-Strategie
Exponat zu Industrie 4.0 mit einem
seiner Väter
Berlin, 23. April 2013
http://www.dfki.de/~wahlster/Helmholz_Ideen_2020_Interview_Prof_Wahlster/
Interview zur Wanderausstellung:
© W. Wahlster
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Von Industrie 1.0 zu Industrie 4.0:
Das Internet kommt in die Fabriken
t Ende
18. Jhdt.
Erster
mechanischer
Webstuhl 1784
1. Industrielle Revolution durch Einführung
mechanischer Produktions- anlagen mit Hilfe von
Wasser- und Dampfkraft
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lexit
ät
Beginn
70er Jahre
20. Jhdt.
heute
Industrie 1.0
Industrie 2.0
Industrie 3.0
3. Industrielle Revolution durch Einsatz von
Elektronik und IT zur
weiteren Automatisierung
der Produktion
4. Industrielle Revolution auf der Basis von Cyber-
Physischen Systemen
Industrie 4.0
010001101 001010100 100101010 010010101
2. Industrielle Revolution durch Einführung arbeitsteiliger
Massenproduktion mit Hilfe
von elektrischer Energie
Beginn
20. Jhdt.
© W. Wahlster
Industrie 4.0: Die technische Revolution
geht weiter
© W. Wahlster
Steigende
Bedeutung von
Wertschöpfungs-
netzwerken
Kürzere
Produktlebens-
zyklen
Steigende
Produktvarianz
Volatile
Märkte und
Kostendruck
Fachkräftemangel Demographischer
Wandel
Ressourcen-
schonende und
urbane Produktion
Individualisierung
und Losgröße 1
Wirtschaftliche Treiber für Industrie 4.0
© W. Wahlster
Make to Order Smart Shop:
Innovative Handelssoftware Smart Factory:
Innovative Fabriksoftware
Zukunftsprojekt:
Internet der Dienste Durchgängige diensteorientierte Architektur für Produktion und Vertrieb Bestell-Portale und Apps für Konfigurierung
Zukunftsprojekt:
Kundenindividuelle Produktion von
Unikaten z.B. 566 Billiarden
Müslivarianten bei
Digitale Produktion von Unikaten
Internet der Dinge Aktive Digitale Produktgedächtnisse Dezentrale Fabriksteuerung durch Cyber-Physische Produktionsysteme
© W. Wahlster
Nobilia: Größter Küchenhersteller in Europa
560.000 Komplettküchen pro Jahr
2.600 Küchen am Tag
14 Mio. Varianten
Exportquote 40%
Losgröße 1: Herstellung von Komplettküchen
mit Cyber-physischen Produktionssystemen
© W. Wahlster
Datenquelle: wiso-net von GENIOS , Abfrage: „Industrie 4.0“ im Titel, Oktober 2013
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
2010 2011 2012 2013
Publikationen zum Thema „Industrie 4.0“
Quelle: Dr. Peter Fettke (DFKI)
© W. Wahlster
Die Produktion ist das Rückgrat des deutschen Wohlstands
Arbeitsplätze direkt: 7,7 Mio. indirekt: : 7,1 Mio, damit jeder 2. Arbeitsplatz
mehr als 100 Milliarden Handelsüberschuss durch Industrieexporte,
besonders Automobilproduktion
Durch zentrale Paradigmenwechsel in der Industrie verändern sich derzeit die
Grundlagen der Produktion:
1. Auflösung der klassischen Produktionshierarchie von zentraler
Steuerung hin zu dezentraler Selbstorganisation
2. Durch digitale Veredelung entstehen intelligente Produkte (Smart
Products)
3. Produkt unterstützt den Produktionsprozess aktiv
4. Die Produktion folgt dem Takt des Menschen
5. Ressourcen- und Energieschonung wird zur neuen Randbedingung für
Produktionserfolge
Deutschland muss diese 4. Industrielle Revolution maßgeblich mitgestalten, um
sich auch in Zukunft erfolgreich als Produktionsstandort behaupten zu können! © PG Kommunikation der Forschungsunion
Zukunftsprojekt: Industrie 4.0
© W. Wahlster
Situationsbezogenes
Anbieten von Diensten und
Dienstleistungen
Vernetzung von Maschinen
und Produkten im
Fabrik-Internet
Erfassung
von
Kontextinformationen
Verknüpfung von
Produkten/Maschinen mit
Informationen im Internet
Ein Netzwerk
von
intelligenten
Objekten
© Dr. Peter Stephan
Die Smart Factory als Internet der Dinge:
ein Netzwerk von intelligenten Objekten
© W. Wahlster
Eingebettete Computer in der Größe
von Zuckerwürfeln steuern die Fabrik der Zukunft
µ webserver 32bit ARM processor
8MB SDRAM
100Mbit Ethernet &Wi-Fi
LINUX auf DIGI Connect
OPC-UA (Offene Prozesskontrolle-
Unifizierte Architektur)
Server für M2M
Das Herz eines industriellen CPS: XML-basierter Webserver oder
sehr schnelle Binärkommunikation auf der Basis des TCP-
Protokolls
© W. Wahlster
Viele beschränkt intelligente Wesen können
durch soziale Interaktion ein hochintelligentes
Verhalten realisieren
Teile und Herrsche Emergentes Problemlösungsverhalten
Teilen
Lokale
Problemlösung
&
Interaktion
Integration
Aufgabe
Lösung Metapher der Ameisenkolonie
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Paradigmenwechsel: Das entstehende
Produkt als aktive Systemkomponente
• Das Produkt steuert seine Herstellung
durch proaktive M2M-Kommunikation
• Das Produkt als Beobachter und
Akteur durch eingebettete Sensorik
und Aktuatorik
• Das Produkt entscheidet autonom auf
Basis übergeordneter Prozessdaten
Befüllung mit
500ml Flüssigkeit
initiieren
Zwischenzeitlich
2 min offen
Ressourcenopti-
mierte Produktion
möglich
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App Stores für die Smart Factory:
Software-basierte Konfigurierung von Anlagen
© W. Wahlster
Produktion eines Smart Products aus Kunststoff Der intelligente Schlüsselfinder, der seinem Besitzer per
Mobilfunk bei der Schlüsselsuche hilft
© W. Wahlster
Digitales Produktgedächtnis
im Rohling
Eingebettetes System
mit Funkmodul im Schlüssel
Assemblierter intelligenter
Schlüsselfinder
Produktion eines intelligenten Schlüsselfinders
mit cyber-physischen Technologien in der
Smart Factory
© W. Wahlster
Maschine
1
Maschine
N
Werkstückträger
1
… …
Werkstückträger
N
Entstehendes
Produkt N
Entstehendes
Produkt 1
… …
…
Semantisches Produktgedächtnis
• Auswahl des Deckels
• Einbau des Schaltkreises in den Deckel
• Einfräsen von RES-COM
• Montage der Gehäusehälften
M2M-
Kommunikation
M2M-
Kommunikation
CNC-Fräse
Auffinden, Anpassen und Ausführen von Produktionsdiensten
Produktionspfadplanung basierend auf dem Semantischen Produktgedächtnis
…
Das Werkstück sucht sich die passenden
Produktionsdienste
© W. Wahlster
Smarte Produktion
Grüne Produktion
Urbane Produktion Nahe am Wohnort der Mitarbeiter
Industrie 4.0: Grüne und nachhaltige
urbane Produktion
Fabrik Wohnsiedlung
Wittenstein AG in Stuttgart Fellbach
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IKT-Technologien der erweiterten und dualen
Realität helfen den Beschäftigten beim Erlernen
komplexer Arbeitsschritte vor Ort in der Fabrik
Werker mit
Datenbrille Werkzeuge Cyber-physische
Produktionssysteme
Mobiles, Interaktives und Situationsadaptives Lernen
In-situ Tutorsystem
Kugelventil schliessen
Entferne das Rohr
mit 2 Flanschen
Entferne das Kugelventil
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Einsatz von Erweiterter Realität in der
Smart Factory
© W. Wahlster
Intranet
Extranet
Firewall
Ohne Sicherheitsstandards sind
Smart Factories bedroht
• Infizierte Privatgeräte in der Fabrik (BYO)
• Spezialviren und Trojaner für eingebettete Systeme
(Stuxnet und Duqu)
Gefahren:
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Von der Smart Factory zum Smart Product und
zu Smart Sevices mit Smart Data
Smart
Product
Smart
Factory
Smart
Service
BIG DATA Service@Digital Smart
Data
: = erzeugt/ermöglicht
: = nutzt/basiert auf
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Das Auto als fahrender Computer
Software steuert immer mehr Funktionen im Auto. Mehr als 100
Kleincomputer in einem Fahrzeug. Ein Software-Update wird
zukünftig öfters vorkommen als ein Ölwechsel
© W. Wahlster
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Android Markt App
Store
Apps für das
Motor-
management
Apps für die
Fahrerassiste
nz
Apps für
umweltfreund-
liches Fahren
Apps als
Intelligente
Benutzerschnitt-
stellen
Das softwaredefinierte Auto:
Anpassen der Fahrzeugfunktionalität durch Apps
© W. Wahlster
Cyber-Physische Systeme für die Mobilität
der Zukunft
Das vernetzte und wandlungsfähige
Elektromobil EO des DFKI
© W. Wahlster
• Das Saarland hat hinter Baden-Württemberg die höchste industrielle Wertschöpfung aller Bundesländer und nirgends gibt es mehr Industriebeschäftigte je 1.000 Einwohner
• Die Exportquote des Saarlandes liegt seit Jahren - mit aktuell 50% - weit über dem bundesdeutschen Durchschnitt.
• Das Saarland hat die höchste Dichte an Beschäftigten in der Automobilindustrie.
Festo AG & Co. KG
Rohrbach
Das Saarland als Informatik- und Produktionsland
Bosch Rexroth Group
Homburg
© W. Wahlster
Homburg
Perl
Rohrbach
Blieskastel
Kaiserslautern
Testfabriken für Industrie 4.0 im Saarland Das Saarland als Informatik- und Produktionsland
Prof. Wahlster ist als einer der Väter von Industrie 4.0 Mitglied im Wissenschaftlichen Beirat
der am 9.4.2013 gestarteten nationalen Plattform Industrie 4.0, Prof. Anderl ist der
gewählte Sprecher des Beirates, Prof. Broy ist ebenfalls Mitglied des Beirates, so daß
SmartF-IT optimal vertreten ist
getragen von den 3 Verbänden
In verschiedenen Förderprojekten sorgt das
DFKI für die Einführung cyber-physischer
Produktionssysteme im Saarland als
Produktionsstandort
Wadern
© W. Wahlster
• Durch konsequentes Zusammenführen der digitalen und realen Welt wird die zunehmende
Dynamik und Komplexität in den Fabriken beherrschbar.
• Das Internet der Dinge, Dienste & Daten wird zur prägenden Infrastruktur für die nächste
industrielle Revolution.
• Industrie 4.0 adressiert alle großen Herausforderungen: Wettbewerbsfähigkeit unseres
Hochlohn-Standorts, Ressourcen- und Energieeffizienz, demographischer Wandel und
urbane Produktion.
• Deutschland hat beste Voraussetzung,
Leitanbieter und Leitmarkt zu werden.
Das DFKI ist ein Motor von Industrie 4.0
3 DFKI-Projekte 5 DFKI-Projekte
© W. Wahlster
Die hohe Arbeitslosigkeit in den USA wird auf die Aufgabe und Verlagerung von Pro-duktionsstätten ins Ausland zurückgeführt. Deutschland wird als Vorbild bei der Be-wältigung der Krise dargestellt:
Präsident Obama verfolgt in den USA eine
Strategie zur “Re-Industrialisierung”
MIT Taskforce zur
Innovation und
Produktion in den USA:
Ergebnisbericht als Buch:
MAKING IN AMERICA
MIT Press, 2013
Auch in Frankreich und England wird inzwischen das deutsche Modell der “permanenten Innovation” in klassischen Erfolgsbranchen wie Automobil-, Maschinen- und Anlagenbau bewundert.
“The Germans create new businesses, not usually through start-ups - the U.S. model - but through the transformation of old capabilities and their reapplication, repurposing, and commercialization.”
© W. Wahlster
Die deutsche Wirtschaft muss den Wettlauf um
die Normen für Industrie 4.0 gewinnen
Führende Anbieter
von Internetsoftware und
genereller IT
Wenig Maschinenbauer
Führende Maschinenbauer
(Großindustrie und Mittelstand)
Führende Anbieter von
Unternehmenssoftware
Führende Anbieter von
Internethardware
Großer Markt für
Maschinenbauer
Dominanzstreben
bei Normung
© W. Wahlster
aus: Die Zeit,
23. Januar 2014
© W. Wahlster Design by R.O.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit