Kategorie: Technologie

Developer Experience – von intuitiv bis komplex

Es klingt nach einer spannenden Zukunftsvision: Anwender:innen jedes Fachbereichs nutzen vorgefertigte Programmbausteine, um schnell und einfach Simulationen, Optimierungsaufgaben oder Analysen mittels Künstlicher Intelligenz (KI) zu erstellen. Das können dann auch Fachabteilungen umsetzen, deren Mitarbeiter:innen nicht über Kenntnisse in einer höheren Programmiersprache verfügen. Soweit die Idee. Vorab müssen Entwickler:innen diese Programmbausteine natürlich erstellen, damit Fachanwender:innen daraus eine für ihre Anforderung passende Lösung zusammensetzen können.

KI-gestützte Analysen für die Fachabteilung

Gemeinsam mit unseren Partnern forschen wir im Projekt KI-Marktplatz daran, dieser Vision ein Stück näher zu kommen. Namensgebendes Ziel ist es, KI-Anwendungen auf dem Gebiet des Produktentstehungsprozess zu entwickeln und auf einer zentralen Handelsplattform anzubieten. Das Angebot soll zudem Services, wie zum Beispiel Seminare zu ausgewählten KI-Themen oder Auftragsentwicklungen sowie fertige KI-gestützte Apps und Programmblöcke für ganz spezielle Aufgaben umfassen. Die Entwicklung und Wiederverwendung der Apps befinden sich aktuell in der Erprobung. Parallel dazu evaluiert das Projektteam Nutzen und Qualität der Resultate.

Verschiedene Programmierebenen für eine breitere Anwendung

Soweit der Stand der Forschung, aber wie genau unterstützen wir bei CONTACT die Entwicklung wiederverwendbarer Programmbausteine, die Integration von Simulationsmodellen oder KI-gestützter Analysemethoden? Ein Beispiel für den Einsatz in der Praxis findet sich im Bereich der vorausschauenden Wartung (englisch: predictive maintenance). Vorausschauend heißt, dass Wartungszeiträume nicht wie bisher in festen Abständen stattfinden, sondern in Abhängigkeit von Betriebsdaten und Ereignissen an der Maschine oder Anlage berechnet werden. Unsere Plattform Elements for IoT stellt für solche Anwendungsfälle eine Lösung bereit, Betriebsdaten direkt zu analysieren. Dabei speichert der Digitale Zwilling die Daten der jeweiligen Maschine oder Anlage in einem eindeutigen Kontext. Diese lassen sich anhand einer blockbasierten Programmierung direkt abrufen und einfach auswerten. Mit der No-Code-Funktionalität der IoT-Plattform können Fachabteilungen Digitale Zwillinge intuitiv erstellen, automatische Regeln definieren und Ereignisse überwachen sowie Diagramme und Dashboards anlegen – ohne eine Zeile Code zu schreiben.

Darüber hinaus gibt es Anwendungen rund um den Digitalen Zwilling, die mehr Programmier-Know-how erfordern. Hierfür bietet die Plattform Analysten die Möglichkeit, mit einem Jupyter Notebook oder anderen Analysewerkzeug ihre Modelle in einer höheren Programmiersprache selbst zu entwickeln. Vor allem im Bereich des Prototyping ist Python die Sprache der Wahl. Es ist aber auch möglich, mit einer Compiler-basierten Programmiersprache wie C++ zu arbeiten. Eine kontinuierliche Berechnung der Prognosen erfolgt dann über eine Automatisierung der Modelle, die in einer Laufzeitumgebung zur Verfügung stehen. Die Ausführung des Codes erfolgt entweder in der eigenen IT-Infrastruktur oder direkt an der Anlage oder Maschine im Feld (Edge).

Dieses Vorgehen fassen wir unter dem Begriff Low-Code-Entwicklung zusammen, da nur noch der Code für die Entwicklung der Modelle geschrieben wird. Die Datenanbindung erfolgt über den Digitalen Zwilling und geschieht konfigurativ. Das Stück Programm-Code kann dann für verschiedene Anwendungen, wie beispielsweise Digitale Zwillinge innerhalb einer Flotte, als Programmblock wiederverwendet werden.

CONTACT Elements for IoT ist somit offen für Interaktionen auf unterschiedlichen Levels: Von der Verwendung vordefinierter Bausteine (No-Code), über die Möglichkeit, mit selbstgeschriebenem Programm-Code zu interagieren (Low-Code), bis zur Definition eigener Geschäftsobjekte und der Erweiterung der Plattform auf der Basis von Python.

Der Digitale Zwilling im Zeichen regenerativer Energie

Laut dem Bundesverband der Windenergie (BWE) liegt der Anteil der Windenergie an der deutschen Stromproduktion in diesem Jahr bei 27 Prozent, im Jahr 2020 stellte die Windenergie sogar die wichtigste Energiequelle im deutschen Strommix. Insgesamt sind mehr als 31.000 Anlagen installiert, die im Jahr 2019 89 Millionen Tonnen CO2-Equivalent eingespart haben. Windkraft ist somit eine tragende Säule für die CO2-arme und nachhaltige Energieerzeugung und liefert einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Die weitere Steigerung der Erträge bei gleichzeitiger Reduzierung der Wartungskosten ist deshalb von großer Bedeutung.

Mit smarten Systemen die Effizienz von Windparks steigern

Digitale Zwillinge sind das zentrale Element, um das volle Potenzial der Windkraft auszuschöpfen und die Erträge zu maximieren. Angetrieben von der Vision, ein datenbasiertes Entwicklungswerkzeug für die Windindustrie zu schaffen, startete vor eineinhalb Jahren das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Verbundprojekt WIND IO.

Unter Federführung des Instituts für integrierte Produktentwicklung BIK der Universität Bremen bauen wir hierfür mit mehreren Konsortialpartnern Forschungsanlagen als cyberphysische Systeme auf und rüsten diese mit Sensoren, Elektronik und Rechnern (sogenannte IoT-Gateways) nach. Dies ermöglicht es, alle Betriebsinformationen der realen Anlage digital abzubilden und an einem Digitalen Zwilling zusammenzuführen. Das Betriebsverhalten kann anhand des Digitalen Zwillings simuliert werden, was wiederum Erkenntnisse für weitere Optimierungen an der Windenergieanlage zulässt. Der Digitale Zwilling liefert hierzu nicht nur Informationen über den aktuellen Energieertrag, sondern bietet auch ein umfassendes Gesamtbild über den Zustand jeder einzelnen Anlage.

Verbesserte Montage-, Wartungs- und Instandhaltungsprozesse

Mit den gewonnenen Informationen lassen sich beispielsweise die Wartungs- und Instandhaltungsprozesse optimieren. So machen die Daten den Alterungsprozess von Bauteilen jederzeit transparent und geben bei Überschreitung festgelegter Grenzwerte automatisch Alarm. Der Digitale Zwilling ermittelt anhand der erhobenen Betriebs-, Umgebungs- und Wetterdaten zudem einen günstigen Wartungszeitpunkt der Anlage. Diese sollte idealerweise bei wenig Wind durchgeführt werden, um nicht auf Kosten der Energiegewinnung zu gehen.

Für die Berechnungen kommen hierbei sowohl statistische Methoden als auch Modelle aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI) zum Einsatz. Diese Methoden helfen auch, den besten Zeitpunkt für den Aufbau einer Windkraftanlage zu bestimmen, da die Montage der Rotorblätter nur bei bestimmten Bedingungen erfolgen kann. Hierfür fließen neben den Wetterdaten zusätzliche Parameter, wie beispielsweise die Schwingung des Turms, in die Berechnungen mit ein.

Digitale Zwillinge für eine nachhaltige Industrie 

Das WIND IO Projekt zeigt anschaulich, welches Potenzial in der Digitalisierung und besonders im Konzept des Digitalen Zwillings steckt. Darüber hinaus können Unternehmen ihre Daten nutzen, um ganze Produktions- und Betriebszyklen zu simulieren. Dies ermöglicht es, den Ressourcenverbrauch zu minimieren, den Energieverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Produktionsschritte effektiver aufeinander abzustimmen sowie die Transportwege zu optimieren. Konzepte wie der Digitale Zwilling und datenintensive Analysemethoden sind damit essenziell für eine schonende und effiziente Industrie.

Erfolgreiches IoT-Geschäft: alles eine Frage der Standards?

Es gibt Tage, da machen mich die kleinen Dinge des Lebens glücklich. Als letzte Woche meine Mikrowelle kaputt gegangen ist und auch eine Reparatur sie nicht mehr retten konnte, brauchte ich keine fünf Minuten, um das Problem zu lösen: einfach mit dem Smartphone auf der Seite des Herstellers ein neues Modell ausgewählt, bestellt und per PayPal gezahlt. 3 Tage später war sie ausgepackt, eingesteckt und lief. Die Leichtigkeit dieses Prozesses verdeutlicht zwei Dinge:

  1. Die Digitalisierung macht es uns unglaublich einfach, selbst umfangreiche Prozesse schnell abzuwickeln.
  2. Ich habe mich nicht gefragt, ob die Mikrowelle auch in meine Steckdose passt und ob sie die üblichen Standards zur Funkstörung, zu gefährlichen Stoffen usw. erfüllt.

Dass diese Sorglosigkeit keine Selbstverständlichkeit ist, weiß jeder, der schon mal ins fernere Ausland verreist ist. Bei den Steckdosen wurde schlicht und einfach der richtige Zeitpunkt verpasst, für globale Standards zu sorgen. Inzwischen würde die Umsetzung eines Standards so viel Kosten und Elektroschrott verursachen, dass es nicht mehr praktikabel ist.

Unvorstellbar, dass unserer hoch entwickelten Gesellschaft so etwas noch einmal passiert… oder doch nicht?

Die Digitalisierung eröffnet neue Geschäftspotenziale. Dabei rückt der Fokus vom Austausch physischer Waren hin zum Austausch von Informationen. Bei dem Kauf meiner Mikrowelle verdient nicht nur der Hersteller, sondern auch der Online-Bezahldienst PayPal. Und das einzig und allein durch den Austausch von Informationen. Auch in Industrieunternehmen schafft die Digitalisierung die Basis für neue Geschäftsmodelle. Das zeigt eine aktuelle Studie von Sopra Steria und dem F.A.Z.-Institut. Immer mehr Maschinen und Anlagen werden im industriellen Internet der Dinge über IoT-Plattformen vernetzt, um Leistungsdaten zu ermitteln oder produktbegleitende Dienstleistungen anzubieten. Eine Entwicklung, die rund um den Globus eingesetzt hat und damit viele Lösungen mit unterschiedlichen Datenmodellen und Integrationsmöglichkeiten hervorbringt. Damit lässt sich eine besorgniserregende Parallele zum oben erwähnten Stecker-Durcheinander ziehen. Unternehmen, die ihr digitales Geschäft weiter vorantreiben wollen, verlieren hier schnell die Orientierung bei der Wahl einer für sie geeigneten IoT-Lösung. Denn: Wie zukunftssicher diese ist, hängt maßgeblich davon ab, wie gut sie sich mit anderen Systemen und Datenquellen verbinden lässt.

Globale Standards für nachhaltige Digitalisierung

Ernstzunehmende Initiativen machen hier Hoffnung für einen internationalen Standard im industriellen Internet der Dinge. Die Plattform Industrie 4.0 zum Beispiel hat das Konzept der Verwaltungsschale erarbeitet, welche als die digitale Repräsentanz eines Gerätes zu verstehen ist. Sie ermöglicht es, Maschinen mit allen notwendigen Informationen und Funktionen zu adressieren. So könnte ich beispielsweise für meine Mikrowelle eine App entwickeln, mit ihr interagieren, die Gebrauchsanweisung anzeigen lassen und die Leistungsintensität oder -dauer per Smartphone einstellen. Wenn auch der Hersteller meiner Waschmaschine die Informationen und Funktionen dieses Gerätes nach dem Konzept der Verwaltungsschale zur Verfügung stellt, ist es für App-Entwickler kein Aufwand, weitere Geräte in ihre Anwendung zu integrieren. Diese hersteller- und systemunabhängige Interoperabilität ebnet den Weg für die Zukunft von Industrie 4.0.

An welchem Punkt dieses Weges wir aktuell stehen, welche Initiativen auf globaler Ebene zusammenarbeiten, um einen Standard für das industrielle Internet der Dinge zu etablieren und wie die Umsetzung einer Verwaltungsschale aussehen kann, zeige ich in diesem Video.